陳 俊，王昀帆，嚴 偉，沈全榮

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

發(fā)電機勵磁回路接地故障是發(fā)電機組最為常見的故障形式之一［1-7］。由于勵磁回路的復雜性，發(fā)生一點接地故障后，需要排查的環(huán)節(jié)比較多，接地故障點位置測量功能可減少排查工作量，縮短故障排查時間［8］。乒乓式轉子接地保護原理（也稱為切換采樣式轉子接地保護原理）在現場得到廣泛應用，該原理不僅能夠檢測勵磁繞組本體的絕緣下降，其檢測范圍還包括勵磁繞組至晶閘管之間的電纜、勵磁繞組至保護之間的電纜、碳刷、集電環(huán)等部位。對于靜態(tài)勵磁系統，當勵磁變壓器（以下簡稱勵磁變）低壓側發(fā)生單相接地故障時，在1個工頻周期內，勵磁繞組的正端和負端各有1/3的時間接地，乒乓式轉子接地保護原理也可以檢測到對地絕緣電阻值的下降，并且計算出接地位置值在50%左右，導致故障定位錯誤［9-14］，誤導現場人員接地故障排查的方向。目前，尚未見勵磁變低壓側單相接地故障識別方法的相關文獻。

為了區(qū)分勵磁繞組一點接地故障和勵磁變低壓側單相接地故障，減少故障排查時間，本文提出了一種基于乒乓式轉子接地保護原理的勵磁變低壓側單相接地故障在線識別方法。

1 勵磁變低壓側單相接地故障特征分析

勵磁變低壓側發(fā)生單相接地故障時（假設B相為故障相），整流電路采用6脈動橋式全控整流電路，其輸出直接與勵磁繞組相連，如圖1所示。

圖1 勵磁變低壓側B相接地故障示意圖Fig.1 Schematic diagram of phase-B grounding fault at low-voltage side of excitation transformer

由于勵磁變低壓側的電纜B相金屬性接地，當晶閘管VT3導通時，相當于勵磁繞組正端接地；當晶閘管VT4導通時，相當于勵磁繞組負端接地，在1個工頻周期內，勵磁繞組的正端和負端各有1/3的時間接地，勵磁電壓在故障過程中不發(fā)生變化［15-16］。

某電廠125 MW機組勵磁變低壓側B相金屬性接地時的錄波數據如圖2所示，圖中Ur+、Ur-和Ur分別為勵磁繞組正端對地電壓、負端對地電壓及勵磁電壓，波形特征與前面的理論分析相吻合。

圖2 勵磁變低壓側B相接地時的勵磁電壓Fig.2 Excitation voltage when phase-B grounding fault occurs at low-voltage side of excitation transformer

乒乓式轉子接地保護原理如圖3所示。圖3中，R為乒乓式轉子接地保護回路電阻；Rg為勵磁繞組對地絕緣電阻；S1和S2為電子開關，兩者的狀態(tài)始終相反；il1和il2為回路電流。

定義S1處于合位且S2處于分位為狀態(tài)1，S1處于分位且S2處于合位為狀態(tài)2。

圖3 乒乓式轉子接地保護原理圖Fig.3 Schematic diagram of ping-pong type rotor grounding fault protection

圖3中勵磁繞組一點接地電阻Rg為：

其中，Ur和U′r分別為狀態(tài)1和狀態(tài)2時的勵磁電壓；il1、il2為狀態(tài) 1 時的回路電流；i′l1、i′l2為狀態(tài) 2 時的回路電流。

勵磁繞組一點接地相對位置α以百分比表示，故障點位于負端時為0，故障點位于正端時為100%。

式（1）、（2）中勵磁電壓已采用數字濾波技術去除了高次諧波分量，基本可以認為是直流電壓。

假設當電子開關S1處于合位且S2處于分位時，VT3導通，勵磁繞組正端接地，過渡電阻為Rg，勵磁電壓為Ur，稱為狀態(tài)a；當電子開關S1處于分位且S2處于合位時，VT4導通，勵磁繞組負端接地，過渡電阻和勵磁電壓均不變，稱為狀態(tài)b，如圖4所示。

圖4 勵磁變低壓側單相接地時的等效圖Fig.4 Equivalent diagram of single-phase grounding fault at low-voltage side of excitation transformer

狀態(tài)a下的回路電流分別為：

狀態(tài)b下的回路電流為：

將以上結果代入式（2）可得α=50%，與保護裝置實測的故障位置完全吻合，即勵磁變低壓側單相接地故障時，乒乓式轉子接地保護計算的相對位置為50%，與接地過渡電阻的大小無關。

對于另一種情況：電子開關S1處于合位且S2處于分位時，VT4導通；電子開關S1處于分位且S2處于合位時，VT3導通，接地故障相對位置α同樣為50%，此處不再推導。

以上接地故障位置分析是基于2種狀態(tài)下勵磁電壓不變的前提，當勵磁電壓有一定波動時，計算出的α將會在50%附近上下波動。

2 勵磁變低壓側單相接地故障識別方法

從圖2可見，勵磁變低壓側發(fā)生單相金屬性接地故障時，在1個工頻周期內，勵磁繞組的正端和負端各有1/3的時間接地，接地時的對地電壓為0，通過全周傅里葉算法可以提取出Ur+和Ur-中含量較大的工頻交流分量。

對圖2所示的Ur+和Ur-進行頻譜分析，其幅頻特性如圖5所示。

圖5 Ur+和Ur-的幅頻特性Fig.5 Amplitude-frequency characteristics of Ur+and Ur-

當勵磁變低壓側發(fā)生非金屬性（經過渡電阻）接地故障時，1個工頻周期內，勵磁繞組的正端和負端各有1/3的時間經過渡電阻接地，接地時的對地電壓不再為0，正端對地電壓略大于0，負端對地電壓略小于0，過渡電阻越小越靠近0，Ur+和Ur-的波形仍然會呈現交流脈動特征，且Ur+和Ur-中仍然含有一定的工頻交流分量。

可見，勵磁變低壓側發(fā)生單相接地故障時，無論是金屬性接地還是非金屬性接地，Ur+、Ur-中均含有一定的工頻交流分量。而勵磁繞組一點接地故障時，Ur+和Ur-中主要是直流分量和高次諧波分量，幾乎沒有工頻交流分量?？梢?，利用Ur+和Ur-中的工頻交流分量大小即可區(qū)分以上2種故障。

為了提高故障識別的準確性，引入勵磁變低壓側單相接地故障時的另外一個特征量α=50%，則構成如下判據：

其中，Rg.set為勵磁繞組一點接地電阻定值，依機組實際冷卻方式整定；max表示取最大值；Ur為勵磁電壓，由乒乓式轉子接地保護裝置內的采樣電阻測量；Ur+_1ω和Ur-_1ω分別為勵磁繞組正、負對地電壓的基波有效值；Δαset可取 10%～20%；kset可取 0.2～0.4。

滿足式（7）則認為勵磁變低壓側發(fā)生了單相接地故障。

3 現場錄波數據驗證

圖6為圖2所示的勵磁變低壓側發(fā)生B相金屬性接地時，勵磁繞組正端對地電壓、負端對地電壓的工頻交流有效值最大值與勵磁電壓的比值k，故障過程中該比值大于0.8。

圖6 勵磁變低壓側B相金屬性接地時的k值Fig.6 Variation of ratio k during phase-B metallic grounding fault at low-voltage side of excitation transformer

圖7為某電廠600 MW機組勵磁繞組一點接地故障時的勵磁繞組正、負端對地電壓以及勵磁電壓，故障過程中勵磁繞組正、負端對地電壓中含有少量工頻交流分量，勵磁電壓中含有明顯的6次諧波分量，其直流分量為175 V左右。圖8為圖7故障過程中勵磁繞組正端對地電壓、負端對地電壓的工頻交流有效值最大值與勵磁電壓的比值k，故障過程中該比值為0.05～0.06。

圖7 勵磁繞組一點接地時的勵磁電壓Fig.7 Excitation voltage when single-point grounding fault of excitation winding occurs

圖8 勵磁繞組一點接地故障時的k值Fig.8 Ratio k when single-point grounding fault of excitation winding occurs

比較圖6和圖8可見，2種情況下的k值差別明顯，考慮非金屬性接地時過渡電阻的影響，kset取0.2～0.4，即可區(qū)分勵磁變低壓側單相接地故障和勵磁繞組一點接地故障。

本文方法可大幅縮短故障排查時間，有效性已得到多個現場案例的驗證。

4 結語

本文提出了一種基于乒乓式轉子接地保護原理的勵磁變低壓側單相接地故障在線識別方法，當勵磁繞組一點接地電阻計算值小于定值，接地故障位置計算值在50%左右，且勵磁繞組正、負端對地電壓的基波有效值最大值與勵磁電壓的比值超過設定值時，則認為勵磁變低壓側發(fā)生了單相接地故障。理論分析和現場錄波數據驗證了本文方法的正確性。

本文方法能夠有效區(qū)分勵磁繞組一點接地故障和勵磁變低壓側單相接地故障，顯著提高了故障排查效率。