一种变速抽蓄机组转子绕组接地故障判别方法

1.本发明属于抽水蓄能机组继电保护技术领域，更具体地，涉及一种变速抽蓄机组转子绕组接地故障判别方法。


背景技术：

2.转子接地故障是大型机组常见的一种故障类型，相关规程明确规定大容量机组必须装设转子接地保护。目前，现有转子接地保护根据原理主要分为注入式和非注入式两类。注入式保护以方波电压注入式应用最为广泛，非注入式保护以乒乓式转子接地保护应用最为广泛。但二者均是针对传统的单相直流励磁式的转子绕组，变速抽蓄机组的显著特点是转子绕组采用三相交流励磁结构，由单相结构变为三相结构、由直流励磁变为交流励磁。其结构特殊性导致现有的转子接地保护难以适用，需要采取针对性的改进措施。
3.变速抽蓄机组的转子绕组结构与传统的定子绕组结构相似，应参考定子接地故障保护。注入式定子接地保护是最常见的定子保护方法，不受故障位置的影响，能够覆盖100％的绕组范围。对于注入式定子接地保护，注入电源通常由中性点接地变压器副方接入或由机端电磁式电压互感器的开口三角绕组接入，两种方式均是二次侧注入量经电磁感应作用于一次侧。然而，这两种方式不能直接应用于变速抽蓄机组的转子绕组接地保护。主要原因是转子侧工作频率极低(介于
±
5hz)，易使接地变压器或电磁式电压互感器饱和，存在较大传变误差，难以准确测量。此外，其转子绕组的中性点固定为不接地形式，不具备在中性点处增加注入电源的前提条件。因此，转子绕组的注入电源只能接在滑环引出外部，且受其自身电气量的超低频特征影响，注入电源只能由一次侧接入。
4.针对现有方法难以适用于变速抽蓄机组的问题，需要提出了一种转子绕组接地故障保护及定位新方法。


技术实现要素：

5.针对现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种变速抽蓄机组转子绕组接地故障判别方法，其目的在于灵敏、可靠和准确的实现变速抽蓄机组转子绕组接地故障判别。
6.为实现上述目的，本发明一方面提供了一种变速抽蓄机组转子绕组接地故障判别方法，包括：
7.s1.在转子绕组端口处，使用限流电阻构造一个中性点，并在所述中性点处外接注入电源；其中，所述限流电阻与转子绕组对地容抗数量级相同；
8.s2.测量注入电压和注入电流，并基于测量值实时计算转子绕组对地等效电容和接地故障电阻；若所述接地故障电阻小于第一预设阈值，则认为发生接地故障，并执行s3，否则，认为没有发生接地故障；
9.s3.根据转子绕组对地等效电容和接地故障电阻，分别计算故障点至中性点的绕组电势相量和端口至故障点的绕组电势相量并利用和计算接地故障位置，实现接地故障定位。
10.进一步地，所述s1中，注入电源采用方波电源和带通滤波器的组合结构。
11.进一步地，所述s2中，
12.转子绕组对地等效电容的计算公式为：
[0013][0014]
其中，c
∑
为转子绕组对地等效电容，和为注入电压和注入电流在注入电源工作频率下的相量值，ωs为注入电源工作角频率，im()表示取虚部；
[0015]
转子接地故障电阻的计算公式为：
[0016][0017]
其中，rf为转子接地故障电阻，rz为限流电阻，re()表示取实部。
[0018]
进一步地，所述s3中，
[0019]
故障点至中性点的绕组电势相量的计算公式为：
[0020][0021]
其中，ω为转子绕组工作角频率，和分别为转子绕组三相端口对地电压，为注入电流在转子绕组工作频率下的相量值；
[0022]
端口至故障点的绕组电势相量的计算公式为：
[0023][0024]
其中，为故障相对地电压。
[0025]
进一步地，所述s3中接地故障位置的定位方法为：
[0026][0027]
其中，α为故障位置百分比。
[0028]
进一步地，所述s2中，若所述接地故障电阻小于第一预设阈值，则认为发生接地故障，在执行s3之前，还包括：
[0029]
若所述接地故障电阻小于第二预设阈值，保护出口为延时跳闸；若所述接地故障电阻大于第二预设阈值且小于第一预设阈值，保护出口为发出报警信号，以实现接地故障保护；其中，所述第二预设阈值小于第一预设阈值。
[0030]
另一方面，本发明还提供了一种变速抽蓄机组转子绕组接地故障判别系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
[0031]
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
[0032]
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行上述方法。
[0033]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0034]
本发明首次提出利用人为构造中性点和注入式装置实现变速抽蓄机组转子绕组接地故障判别，解决了变速抽蓄机组不具备在中性点处安装注入式装置条件的工程难题。本文发明所提的转子绕组接地故障判别方法可靠性较强，故障电阻计算精度较高、定位结果误差较小，能够满足工程中变速抽蓄机组转子接地保护的需要。
附图说明
[0035]
图1为本发明实施例提供的变速抽蓄机组转子绕组接地故障判别方法的实现流程图；
[0036]
图2为本发明实施例中整体仿真模型的示意图；
[0037]
图3为本发明实施例中机组正常运行时对地等效电容参数的计算结果；
[0038]
图4为本发明实施例中a1分支中性点侧第7匝线圈末端发生过渡电阻为10ω的接地故障时接地过渡电阻的计算结果。
具体实施方式
[0039]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0040]
本发明提供一种变速抽蓄机组转子绕组接地故障判别方法，如图1所示，所提方法具体包括：
[0041]
s1.在转子绕组端口处，使用限流电阻构造一个中性点，并在所述中性点处外接注入电源；其中，所述限流电阻与转子绕组对地容抗数量级相同。
[0042]
本实施例中，在转子绕组端口处，三相分别经限流电阻人为构造一个中性点。需要说明的是，从限制限流电阻的功耗角度出发，其阻值越大越好。但限流电阻与等效总对地容抗串联，限流电阻还应起辅助辨识对地等效电容参数的作用，限流电阻阻值与等效总对地容抗保持相同数量级有利于提高对地电容参数的计算精度。故本发明中选择的限流电阻与转子绕组对地容抗数量级相同，优选地，将限流电阻阻值选定为30kω。同时，为便于工程实现，注入电源采用方波电源和带通滤波器的组合结构，优选地，方波电源峰值为25v，频率为20hz。
[0043]
s2.测量注入电压和注入电流，并基于测量值实时计算转子绕组对地等效电容和接地故障电阻；若所述接地故障电阻小于第一预设阈值，则认为发生接地故障，并执行s3，否则，认为没有发生接地故障。
[0044]
例如，可以利用霍尔式电压互感器和霍尔式电流互感器测量注入电压和注入电流。获取注入电压和注入电流测量值之后，实时计算转子绕组对地等效电容和接地故障电
阻。
[0045]
转子绕组对地等效电容的计算公式为：
[0046][0047]
其中，c
∑
为转子绕组对地等效电容，和为注入电压和注入电流在注入电源工作频率下的相量值，ωs为注入电源工作角频率，im()表示取虚部；
[0048]
转子接地故障电阻的计算公式为：
[0049][0050]
其中，rf为转子接地故障电阻，rz为限流电阻，re()表示取实部。
[0051]
进一步地，在进行接地故障定位之前，还可以进行接地故障保护，具体为：若所述接地故障电阻小于第二预设阈值，保护出口为延时跳闸；若所述接地故障电阻大于第二预设阈值且小于第一预设阈值，保护出口为发出报警信号，以实现接地故障保护；其中，所述第二预设阈值小于第一预设阈值。
[0052]
s3.根据转子绕组对地等效电容和接地故障电阻，分别计算故障点至中性点的绕组电势相量和端口至故障点的绕组电势相量并利用和计算接地故障位置，实现接地故障定位。
[0053]
具体地，故障点至中性点的绕组电势相量的计算公式为：
[0054][0055]
其中，ω为转子绕组工作角频率，和分别为转子绕组三相端口对地电压，为注入电流在转子绕组工作频率下的相量值；
[0056]
端口至故障点的绕组电势相量的计算公式为：
[0057][0058]
其中，为故障相对地电压。
[0059]
计算得到和后，通过以下方式实现接地故障定位：
[0060][0061]
其中，α为故障位置百分比。
[0062]
下面通过仿真验证所提判别方法的有效性。
[0063]
以某台实际变速抽蓄机组为例，其转子绕组为每相两分支结构，每分支由98个槽导体正反交替串联组成(n＝98)，极对数为7，铁芯总槽数为298，槽距电角度θ为8.46
°
。额定线电压为3.3kv，转子绕组单相电阻为5.56mω，单相漏电感为7.92mh，单相对地电容为0.64f，变流器侧等效对地电容为0.93μf，等效对地总电容为2.85μf。转差率为0.05，转子侧工作频率为2.5hz。在pscad/emtdc软件中，以槽导体为单元建立转子绕组的准分布参数模型，整体仿真模型如图2所示。
[0064]
机组正常运行时，在线计算对地等效电容参数，计算结果如图3所示。对地电容的计算结果为2.857μf，相对误差仅为0.24％，具有较高的计算精度。可以发现，对地电容的计算结果在仿真开始的短时间内波动幅度极大，该现象是由两个原因导致的。一方面是由注入电压逐渐上升至稳态导致的，另一方面，绕组准分布式参数模型中绕组电势升压的暂态过程导致的，与机组升压启动过程类似。在实际工程中，正常稳定运行的机组不会出现由上述两个原因导致的对地等效电容计算结果波动较大的现象。
[0065]
以a1分支中性点侧第7匝线圈末端发生过渡电阻为10ω的接地故障为例，故障时刻为第4秒。实时计算接地过渡电阻，计算结果如图4所示。在仿真开始的短时间内接地电阻计算结果存在较大抖动，其产生原因与前文中分析对地电容计算结果抖动的原因一致，在实际工程中不会出现该现象。机组正常运行时，计算得到的绕组对地电阻超过200kω，反映出转子绕组良好的对地绝缘情况。发生接地故障后，接地过渡电阻的计算结果迅速减小，最终计算结果在10.132ω达到稳定，计算误差为1.32％，具有较高的计算精度。
[0066]
在a1分支的以下2处位置设置接地故障：故障f1，对应的故障位置百分比α为0.14286；故障f2，对应的故障位置百分比为0.71426。在上述2处位置各设置接地故障电阻为100ω、1000ω和5000ω的三种故障。经计算，绕组电势和定位结果的计算结果如表1所示。可以发现，故障电阻计算结果的最大误差不超过2％，最大定位误差不超过绕组总长的0.651％，具有极高的定位精度，验证了所提方法的有效性。
[0067]
表1不同故障场景下的接地故障电阻计算结果和故障定位结果
[0068][0069]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。