基于零序电压有源调控的发电机定子接地故障消弧方法及保护对策

2022-04-14王义凯尹项根谭力铭

电力自动化设备 2022年4期

徐雯，王义凯，尹项根，乔健，谭力铭，李伟

（1. 华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室，湖北武汉 430074；2. 华中科技大学电力安全与高效湖北省重点实验室，湖北武汉 430074；3. 国网新源控股有限公司抽水蓄能技术经济研究院，北京 100032）

0 引言

大型发电机易发生弧光接地故障，从而损伤绕组绝缘、破坏定子铁芯，且维修不便，这是发电机保护的一大难题。国内外大型发电机组普遍采用中性点经消弧线圈或配电变压等非有效接地方式，从而限制单相接地故障电流。而此类无源消弧方法仅能补偿故障点工频无功残流，无法补偿有功电流，且无法适应各种复杂的发电机定子接地故障情况，消弧能力有限。间歇性弧光接地故障易形成过电压，产生的故障电流如不及时消除，可能烧毁发电机定子绕组［1］。但若定子接地保护在瞬时性接地故障情况下动作并切除发电机，将引发长时间机组停电事故，影响供电可靠性，造成巨大的经济损失。

针对消弧问题，文献［2］提出一种基于零序电压柔性控制的配电网接地故障消弧与保护新原理，通过特定装置注入电流并控制故障相电压为0，从源头上实现瞬时接地故障的100%消弧。在此基础上，文献［3-5］提出针对配电网接地故障的选线选相方法。但针对发电机定子接地故障消弧方面的应用却鲜有研究，随着新能源并网比例增大，主力机组的重要性逐渐提升，发生瞬时性故障时轻易切机不利于电网的稳定运行。零序电压调控独特的有源消弧和补偿能力可以消除定子绕组瞬时性弧光接地故障，保持发电机稳定持续运行，其经济效益不容忽视。

针对发电机定子接地故障，现有的保护主要为基波零序电压保护、3 次谐波电压保护和低频注入式保护。基波零序电压保护与3 次谐波电压保护共同构成的100%定子接地保护已在工程上得到广泛应用，并已有大量研究对其进行修正和改进［6-10］。但零序电压有源调控在调控零序电压进行消弧时会造成零序电压保护误动，扩大故障范围。低频注入式保护［11-12］在大型机组中可与100%定子接地保护构成双重化保护，但在外加零序电压调控装置的基础上装配注入式保护的经济可行性不高。上述保护方法均无法独立分辨瞬时性定子接地故障，在此情况下无法保证发电机持续供电。

因此，为了能够有效消弧，本文在发电机中性点引入零序电压有源调控装置，通过理论分析和仿真证明其能够有效降低故障点电压和电流，同时补偿故障电流的无功、有功分量。在此基础上，提出一种基于零序电压有源调控的故障辨别方法，基于注入电流后中性点零序电压和电流的特性，辨别故障是否消弧，有效区分瞬时性接地故障和永久性接地故障。本文所提的保护对策可与现有保护配合，实现在发生瞬时性接地故障时发电机的不停电运行，避免频繁停机和计划外停机检修，保证系统的供电可靠性。

1 零序电压有源调控及其影响

1.1 零序电压有源调控的消弧方法

接地故障消弧的机理为［13-14］：交流电流过零点熄弧后，绝缘介质的恢复速度快于故障相电压的恢复速度，从而有效阻止电弧重燃。影响消弧的主要因素有残流大小、恢复电压幅值和恢复电压上升速度。故障电流越小，介质损伤越小，越有利于绝缘介质恢复；故障相恢复电压的幅值越小、恢复初速度越慢、恢复时间越长，使得绝缘介质越难以重新击穿，阻止电弧重燃，有利于接地故障消弧。

零序电压有源调控根据交流电弧熄灭机理，主动调控故障点电压，使故障恢复电压低于绝缘恢复强度（电弧重燃电压），阻止电弧重燃，实现故障彻底熄弧，将传统接地消弧问题转化为故障点电压控制问题，由传统被动电流消弧转化为主动电压消弧［2］。

发电机零序电压有源调控示意图如图1 所示，在发电机中性点接地变压器副边接入小容量柔性可控电流源，利用改变注入电流的幅值及相位调节中性点电压的方法，实现任意位置定子对地电压的灵活调控，现有已投入工程应用的零序电压有源调控装置容量在50 kV·A 以内。以调控C 相电压为例进行说明：在发电机中性点外加零序电源，当中性点对地电压发生偏移时，各相出现零序电压，即A、B、C相对地电压发生变化，但各相之间的线电压不受影响；且一般发电机所接变压器低压侧为三角形接线，零序电压变化不影响高压侧负载，故负载侧不受C相降压和零序电压调控的影响。

图1 发电机零序电压有源调控示意图Fig.1 Schematic diagram of zero-sequence voltage regulation for generator

考虑故障发生在C 相距离中性点α处，则注入的电流Is可表示为：

为实现单相接地故障消弧，保证故障点电压为0，应调节中性点零序电压UN=-Ef，将其代入式（1）可得：

假设发电机三相完全对称，且各相对地电容相等，则需要向中性点注入的电流为-Ef[(YA+YB+YC)(1-ZTYN)+YN]。Ef可由发电机在线故障定位得到，定位方法已有很多较为成熟的研究［15-18］，可利用注入式保护或基波零序电压故障分量求得Ef。其中注入式保护对过渡电阻的测量会影响故障定位精度，过渡电阻的增加会导致测量误差的增加，影响注入量的计算，但仍然能将故障电流降低至安全电流1 A以下，达到有效消弧的效果。

通过注入电流将中性点零序电压箝制为UN=-Ef，可以实现抑制故障点电压至0 的目的，从而使得接地故障电流消失，同时补偿故障电流的无功、有功分量。该方法弥补了现有接地消弧技术的不足，可100%补偿发电机接地故障电流基波分量。

仿真0.2 s 时在发电机定子C 相绕组距中性点α=0.875 处发生Rf=2 000 Ω 的接地故障，0.5 s 时进行有源消弧控制，测得故障接地电流和故障点基波电压的幅值变化情况如图2所示。图中：If为故障接地电流幅值；If1为故障接地电流基波幅值；If3为故障接地电流3次谐波幅值；Uf1为故障点基波电压幅值。

图2 故障接地电流和电压的幅值变化Fig.2 Amplitude change of fault grounding current and voltage

分析图2 可知，引入零序电压有源调控后，故障接地电流的基波分量和故障相电压基波幅值均下降为0，而故障接地电流的3次谐波分量基本没有受到影响，因此总的故障接地电流将衰减到3 次谐波电流的大小。特别地，在注入电流后，这个消弧过程并不是故障接地电流迅速下降为0，而是在快速下降一定程度后进入一个缓冲的过程，该过程中故障接地电流和故障点电压近似以固定的斜率下降，且降到最低值需要一定的时间。

因此分别对故障位置距中性点α=0.875 和α=0.125 的不同故障类型的消弧效果进行仿真，结果见表1。

表1 不同故障类型的消弧效果Table 1 Arc suppression effect of different fault types

从仿真结果可以看出，零序电压有源调控能够有效地降低故障接地电流和电压，可以起到主动接地消弧的作用，保证发电机的持续稳定运行。

1.2 对现有发电机定子接地保护的影响

对于3 次谐波定子接地保护而言，由于零序电压有源调控仅是在中性点侧注入工频电流，基本不会影响系统中的3 次谐波电压的分布情况。因此，主动降压不停电运行方式基本不会影响3 次谐波电压保护的运行情况。

对于注入式保护而言，注入式保护与零序电压有源调控装置同时接入时（可考虑分别从中性点和机端接入），由于注入式保护检测的是特殊的低频量，因此接入的工频注入电压或电流并不会影响注入式保护。

对于零序电压定子接地保护而言，在不考虑三相对地电容不平衡的情况下，实际是在中性点注入电流使得故障点处的电压为0。由此可知此时中性点电压为-Ef。发生瞬时性弧光接地时，注入电流后故障点电压降为0，电弧消失，但此时中性点零序电压仍为-Ef，这会导致发电机零序电压定子接地保护误动。

仿真0.2 s 时在发电机定子C 相绕组距中性点α=0.875 处发生Rf=100 Ω 的瞬时性接地故障，持续时长为0.1 s，0.22 s 时进行有源消弧控制，可测得If和中性点基波零序电压幅值UN1的变化如图3所示。

图3 故障接地电流和中性点基波零序电压的幅值波形图Fig.3 Amplitude change of fault grounding current and fundamental zero-sequence voltage of neutral point

从图3 中可以看出，注入零序电流后故障接地电流幅值降低，故障消失后中性点基波零序电压幅值持续上升。但零序电压保护和调控装置均无法辨别接地故障是否消失，导致保护误动切机，造成不必要的经济损失。

综上所述，通过采用外加零序电源，主动调控中性点零序电压，实现故障相电压控制，可在发生瞬时性接地故障时使故障点熄弧，增加发电机带接地故障安全可靠运行时间。但其中性点零序电压调控方式在消除瞬时性接地故障后会导致中性点零序电压上升，致使基波零序电压保护误动。为此，需要在有源消弧后，对接地故障是否消失进行辨别。

2 基于零序电压调控的接地故障辨别

发电机定子接地故障示意图见图4。图中：UAg、UBg、UCg分别为A、B、C 相绕组对地电压；IN为中性点零序电流；IAg、IBg、ICg分别为A、B、C相对地电流。

图4 发电机定子接地故障示意图Fig.4 Schematic diagram of generator stator grounding fault

根据式（5）可知，如果消弧成功，令If=0，通过测量不同时刻得到的ΔIN和ΔUN可以求得If。将2 组ΔIN和ΔUN数据分别记为ΔIN1、ΔUN1和ΔIN2、ΔUN2，可得：

式中：If由式（6）计算得到。

3 保护对策流程

为使零序电压有源调控与现有定子接地保护有效配合，区分瞬时性接地故障和永久性接地故障，使接地消弧时保护不误动，提出保护对策流程，见附录A 图A1。采用100%定子接地保护启动零序电压有源调控装置，非注入式或注入式保护均可。进行在线故障定位获得-Ef，注入电流使UN=-Ef进行消弧。延时0.5 s 后减小注入电流幅值，测量中性点零序电流和零序电压的基波变化量得到ΔIN1、ΔUN1和ΔIN2、ΔUN2。根据式（7）进行判断：若故障已消弧，则停止注入电流，而后返回保护；若是永久性接地故障，则返回保护由保护进行后续动作。该保护对策可以实现瞬时性接地故障的动态识别和消除，避免绝缘击穿，使发电机做到不停电持续运行，有效保证了供电的可靠性。

4 仿真验证

4.1 发电机模型

为了验证本文所提发电机定子接地保护方法的可行性，根据图1 在PSCAD／EMTDC 中搭建仿真模型。发电机中性点经配电变压器接电阻接地采用高阻接地方式，并在变压器副边接入可控电流源用于零序电压调控。发电机参数及接地变压器参数见附录B 表B1。负荷采用三相平衡的恒定阻抗负载模型，统一等效为P=1000 MW和Q=800 Mvar。

定子接地模型参考文献［19］建立，采用准分布电容参数模型，定子B 相内部结构如图5 所示。定子每相由两分支构成，每分支定子绕组分为8 个单元电路，每相定子绕组的电感、电阻、电动势以及对地电容按照一定规律分配到各单元电路，同一分支的各单元电路串联。每一个单元电路包括基波电动势、3 次谐波电动势、电路电阻、电路电抗以及并联在电路两侧的对地电容。