基于故障电流流向的发电机定子绕组及其电气主回路接地故障诊断方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于故障电流流向的发电机定子绕组及其电气主回路接地故障诊断方法，主要针对难以用绝缘摇表检测出来的定子接地故障，利用励磁变压器和励磁系统装置的手动励磁模式对发电机进行手动升压，并用电流表监测发电机定子绕组整个电气主回路中故障电流的流向，实现发电机定子绕组及其电气主回路接地故障的快速查找。本发明的故障诊断方法不仅无需使用高压试验设备，避免了对故障部位造成新的损伤，而且拆卸工作量小、检测过程简单，可以快速确定故障部位，对于减小发电机因定子接地故障引起的发电量损失具有重要意义。
【专利说明】基于故障电流流向的发电机定子绕组及其电气主回路接地故障诊断方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电力系统中发电机定子接地故障的诊断方法，具体是指基于故障电流流向的发电机定子绕组及其电气主回路接地故障诊断方法。
【背景技术】
[0002]发电机因突发故障而紧急停运，不仅会给发电企业造成重大的经济损失，还可能会影响到电网正常的电力供应。定子接地故障是发电机定子最为常见的故障类型，在某些特定条件下容易迅速发展为相间短路故障，严重危及发电机的安全运行。因此，一旦发生定子接地故障，定子接地保护装置会迅速跳闸并使发电机从系统中解列出来，避免发电机后续受到更为严重的损坏。
[0003]实际上，无论发电机定子绕组还是其电气主回路出现接地故障，均会触发发电机定子接地保护装置动作。因此，发电机定子接地故障点位置不限于发电机定子绕组本身，还包括其电气主回路中各设备及部件，主要包括电压互感器、避雷器、封闭母线等。
[0004]快速而准确的故障诊断方法是最大限度地减少发电机因故障而紧急停运造成的负面影响的关键一环。传统的定子接地故障查找方法是分段拆开发电机的主回路，测量各段的绝缘电阻值。但是，对于非金属性接地、非贯穿性绝缘缺陷等故障原因十分隐蔽的情况，还经常会进行直流耐压或交流耐压试验等破坏性试验。这样不仅费时费力，还存在检测盲区，甚至还会对故障部位造成新的损伤，加大后续的检修工作量。因此，针对难以用绝缘摇表检测出来的定子接地故障，亟需研究出一种能快速准确、简单实用且无需破坏性试验的定子接地故障诊断方法。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种基于故障电流流向的发电机定子绕组及其电气主回路接地故障诊断方法，该诊断方法无需使用高压试验设备，避免了对故障部位造成新的损伤，而且拆卸工作量小、检测过程简单，能够快速确定故障部位。
[0006]本发明的这一目的通过如下的技术方案来实现的:基于故障电流流向的发电机定子绕组及其电气主回路接地故障诊断方法，该方法包括如下步骤:
[0007](I)将主变压器和高压厂用变压器与发电机定子绕组电气主回路断开；
[0008](2)保留发电机定子绕组电气主回路中的I组电压互感器，供发电机手动励磁建压所用，该I组电压互感器由三只电压互感器组成，对应发电机本体每相各一只，即电压互感器PTA、电压互感器PTB和电压互感器PTC，将发电机定子绕组电气主回路中的其它暂不需要的II组电压互感器、III组电压互感器共六只电压互感器以及避雷器抽出来，与电气主回路相隔离；
[0009](3)分别在发电机定子绕组对应的三相线路中串入九只电流表，九只电流表的串接具体位置为:在位于发电机中性点侧与接地变压器的三相连接线路上分别串入一只电流表、在位于发电机出线侧与封闭母线的三相连接线路上分别串入一只电流表、以及在位于三相电压互感器高压尾端线路上分别串入一只电流表；
[0010](4)将发电机由自动励磁改为手动励磁，励磁变压器的输入电压为6kV电压；
[0011](5)驱动发电机旋转至3000r/min，采用发电机励磁系统装置的手动励磁模式，从零开始逐渐手动增大励磁电流来提高发电机的机端电压，避免励磁电流增大过快而引起定子接地保护动作，同时密切监视电气主回路中中性点零序电压变化情况，确保中性点的零序电压不超过定子接地保护动作的整定值；
[0012](6)在发电机的不同机端三相电压下，利用串接的电流表监测其所在位置的电流值变化情况，来判定发电机定子绕组及其电气主回路是否存在接地故障，并根据对故障位置的分析结果来判断故障点所处的具体位置；
[0013](6.1)若接地故障位于发电机的某相定子绕组上，则该故障相的位于中性点侧线路上的电流表的数值明显大于另外两相的位于中性点侧线路上的电流表的数值，另外两相的位于中性点侧线路上的电流表的数值基本相同；但对于出线侧和电压互感器下方的电流表，位于三条出线侧线路上的三只电流表的数值均基本相同，位于三条高压尾端线路上的三只电流表的数值也均基本相同；若串接的电流表的数值符合这一特征，则能够判断接地故障点位于发电机内部的定子绕组上；
[0014](6.2)若接地故障位于发电机外部的某相封闭母线上，则该故障相的位于中性点侧线路上的电流表的数值明显大于另外两相的位于中性点侧线路上的电流表的数值，另外两相的位于中性点侧线路上的电流表的数值基本相同；同时，对于出线侧的电流表，该故障相的位于出线侧线路上的电流表的数值也明显大于另外两相的位于出线侧线路上的电流表的数值，另外两相的位于出线侧线路上的电流表的数值基本相同；但对于电压互感器下方的电流表，位于三条高压尾端线路上的三只电流表的数值均基本相同；若串接的电流表的数值符合这一特征，则能够判断接地故障点位于发电机外部的封闭母线上；
[0015](6.3)若接地故障位于某相电压互感器内部，则该故障相的位于中性点侧线路上的电流表的数值明显大于另外两相的位于中性点侧线路上的电流表的数值，另外两相的位于中性点侧线路上的电流表的数值基本相同；对于出线侧的电流表，该故障相的位于出线侧线路上的电流表的数值明显大于另外两相的位于出线侧线路上的电流表的数值，另外两相的位于出线侧线路上的电流表的数值基本相同；对于电压互感器下方的电流表，该故障相的位于高压尾端线路上的电流表的数值明显大于另外两相的位于高压尾端线路上的电流表的数值，另外两相的位于高压尾端线路上的电流表的数值基本相同若串接的电流表的数值符合这一特征，则能够判断接地故障点位于电压互感器上。
[0016](7)若仍未查找出定子接地故障点，则说明故障点不在发电机定子绕组及已接入其电气主回路的设备及部件上，此时，应按顺序逐步将其他两组PT和避雷器等电气设备接入电气主回路，直至检测出故障所在位置为止。
[0017]本发明是一种全新的发电机定子绕组及其电气主回路接地故障的快速诊断方法，主要针对难以用绝缘摇表检测出来的定子接地故障，利用励磁变压器和励磁系统装置的手动励磁模式对发电机进行手动升压，并用电流表监测发电机定子绕组整个电气主回路中故障电流的流向，实现发电机定子绕组及其电气主回路接地故障的快速查找。本发明不仅无需使用高压试验设备，避免了对故障部位造成新的损伤，而且拆卸工作量小、检测过程简单，可以快速确定故障部位，对于减小发电机因定子接地故障引起的发电量损失具有重要意义。
[0018]与现有技术相比，本发明具有如下显著效果:
[0019](I)本发明针对难以用绝缘摇表检测出来的发电机定子接地故障，利用励磁变压器和励磁系统装置的手动励磁模式对发电机进行手动升压，并用电流表监测发电机三相定子绕组整个电气主回路中故障电流的流向，实现发电机定子绕组及其电气主回路接地故障的快速查找。
[0020](2)本发明不仅无需使用高压试验设备，避免了对故障部位造成新的损伤，而且拆卸工作量小、检测过程简单，可以快速确定故障部位。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0022]图1是本发明诊断方法中定子接地故障快速查找原理图；
[0023]图2是本发明诊断方法中定子接地故障点的分布及其故障电流流向示意图；
[0024]图3是本发明诊断方法在应用时，发电机跳闸时的机端三相电压波形图；
[0025]图4是本发明诊断方法在应用时的检查方案示意图。
[0026]附图标记说明
[0027]100、发电机；101、接地变压器；102、励磁变压器；103、封闭母线；
[0028]110、1#发电机；111、断路器
【具体实施方式】
[0029]发电机突发定子接地故障后，会迅速跳闸停运，一般不会直接发展成金属性接地短路，故障部位的绝缘电阻会仍然比较高，传统检测方法仅用绝缘摇表很难查找出故障部位。针对这一情况，如果能利用现有的发电机系统建立较低的电压，并监测发电机定子绕组整个电气主回路中故障电流的流向，就可以快速而准确地判断定子接地故障发生在主回路的哪一个区域中。实际上，要达到这一目的，只需将发电机的建压方式由自动励磁建压改为手动励磁建压方式即可。在缓慢提高发电机的机端电压的同时，密切监视中性点零序电压变化情况，确保中性点的零序电压不超过定子接地保护动作的整定值，并且监测定子绕组整个电气主回路中电流值的变化情况，即可实现定子绕组及其电气主回路接地故障部位的快速判断，对应的定子接地故障快速查找原理如图1所示。
[0030]通常在定子接地故障发生后，首先要将主变压器和高压厂用变压器与发电机定子绕组电气主回路断开，以免它们对故障部位的查找造成影响，故图1未画出主变压器和高压厂用变压器。为了使发电机能在手动励磁方式下建立电压，励磁变的输入电压需要取自外部启备变的6kV电压。另外，为了监测建压过程中的各点电流的变化情况，需要将一些电流表串入到主回路的相关部位，例如发电机的中性点侧、出线侧、以及PT (电压互感器)的高压尾端。
[0031]由于发电机发生定子接地故障时，人们最关心的还是造价昂贵、维修困难、检修时间长、对电量损失影响最大的发电机本体，因此，为了尽量地缩小故障查找范围，图1中仅保留发电机手动励磁建压所需要的I组PT，每相各I只，即电压互感器PTA、电压互感器PTB和电压互感器PTC，其它暂不需要的I1、III组共6只电压互感器以及避雷器等，均可从柜中抽出来，与电气主回路相隔离。
[0032]从图1中可见，若发电机定子绕组及其电气主回路发生接地故障，只能发生在发电机定子绕组内部、外部封闭母线103以及PT本体内部。为了便于分析，以A相为例，假定分别在这三个部位的F1、F2、F3点发生了定子接地故障，当发电机100建压后，分别经这三个故障点形成的故障电流用1#、2#、3#虚线来表示，如图2所示。
[0033]若接地点位于发电机定子绕组上，例如图2中的Fl点，则在初始建压过程中，其故障电流沿1#虚线的方向流动。由于故障点位于A相定子绕组，故障电流会流过串在A相中性点侧的电流表，使得A相中性点电流表的数值明显地比B、C两相中性点电流表的数值大一些，B、C两相的电流表的数值则基本相同。而对于出线侧和PT下方的电流表来说，由于发电机100的机端电压相差不大，且故障电流未流经封闭母线103侧和三相PT，出线侧和三相PT下方各自的三只电流表的数值均基本相同。因此，根据这一特征，立即就可以判断定子接地故障点位于发电机100内部的A相定子绕组上。
[0034]若接地点位于发电机100外部的封闭母线103上，例如图2中的F2点，则在初始建压过程中，其故障电流沿2#虚线的方向流动。由于故障点位于A相定子绕组外部封闭母线103上，故障电流必将流过串在A相出线侧的电流表，然后从A相中性点侧的电流表流回至发电机100内部的A相定子绕组。因此，A相出线侧和A相中性点侧的电流表数值均明显地比B、C两相出线侧及中性点侧的电流表的数值大一些，B、C两相出线侧的电流表数值则基本相同，B、C两相中性点侧电流表的数值也基本相同。由于故障电流未流经PT，因此三相PT下方的三只电流表的数值均基本相同。因此，根据这一特征，立即就可以判断定子接地故障点位于发电机100外部的A相封闭母线上。
[0035]若接地故障位于PT本体内部，例如图2中的F3点，则在初始建压过程中，其故障电流将沿3#虚线的方向流动。由于故障点位于A相PT (即PTA)本体内部，故障电流将流过A相出线侧、A相中性点侧和PTA高压尾端的电流表。因此，A相出线侧、中性点侧以及A相PT高压尾的电流表数值均明显地比B、C两相的电流表数值大一些，B、C两相的电流表数值则较为接近。因此，根据这一特征，立即就可以判断定子接地故障点位于A相PT上。
[0036]诊断步骤
[0037]基于故障电流流向的发电机定子绕组及其电气主回路定子接地故障的诊断方法，该方法包括如下步骤:
[0038](I)将主变压器和高压厂用变压器与发电机定子绕组电气主回路断开；
[0039](2)保留发电机定子绕组电气主回路中的I组电压互感器，供发电机手动励磁建压所用，该I组电压互感器由三只电压互感器组成，对应发电机本体每相各一只，即电压互感器PTA、电压互感器PTB和电压互感器PTC，将发电机电气主回路中的其它暂不需要的II组电压互感器、III组电压互感器共六只电压互感器以及避雷器抽出来，与电气主回路相隔离；
[0040](3)分别在发电机定子绕组对应的三相线路中串入九只电流表，九只电流表的串接具体位置为:在位于发电机100中性点侧与接地变压器101的三相连接线路上分别串入一只电流表、在位于发电机100出线侧与封闭母线103的三相连接线路上分别串入一只电流表、以及在位于三相电压互感器高压尾端线路上分别串入一只电流表；[0041](4)将发电机100由自动励磁改为手动励磁,励磁变压器102的输入电压为6kV电压；
[0042](5)驱动发电机100旋转至3000r/min，采用发电机励磁系统装置的手动励磁模式，从零开始逐渐手动增大励磁电流来提高发电机100的机端电压，以避免励磁电流增大过快而引起定子接地保护动作，同时密切监视电气主回路中中性点零序电压变化情况，确保中性点的零序电压不超过定子接地保护动作的整定值；
[0043](6)在发电机100的不同机端三相电压下，利用串接的电流表监测其所在位置的电流值变化情况，来判定发电机定子绕组及其电气主回路是否存在接地故障，并根据对故障位置的分析结果来判断故障点所处的具体位置；
[0044](6.1)若接地故障位于发电机的某相定子绕组上，则该故障相的位于中性点侧线路上的电流表的数值明显大于另外两相的位于中性点侧线路上的电流表的数值，另外两相的位于中性点侧线路上的电流表的数值基本相同；同时，对于出线侧和电压互感器下方的电流表，位于三条出线侧线路上的三只电流表的数值均基本相同，位于三条高压尾端线路上的三只电流表的数值均基本相同；若串接的电流表的数值符合这一特征，则能够判断接地故障点位于发电机内部的定子绕组上；
[0045](6.2)若接地故障位于发电机外部的某相封闭母线103上，则该故障相的位于中性点侧线路上的电流表的数值明显大于另外两相的位于中性点侧线路上的电流表的数值，另外两相的位于中性点侧线路上的电流表的数值基本相同；同时，对于出线侧的电流表，该故障相的位于出线侧线路上的电流表的数值也明显大于另外两相的位于出线侧线路上的电流表的数值，另外两相的位于出线侧线路上的电流表的数值基本相同；但对于电压互感器下方的电流表，位于三条高压尾端线路上的三只电流表的数值均基本相同；若串接的电流表的数值符合这一特征，则能够判断接地故障点位于发电机外部的封闭母线103上；
[0046](6.3)若接地故障位于某相电压互感器内部，则该故障相的位于中性点侧线路上的电流表的数值明显大于另外两相的位于中性点侧线路上的电流表的数值，另外两相的位于中性点侧线路上的电流表的数值基本相同；对于出线侧的电流表，该故障相的位于出线侧线路上的电流表的数值明显大于另外两相的位于出线侧线路上的电流表的数值，另外两相的位于出线侧线路上的电流表的数值基本相同；对于电压互感器下方的电流表，该故障相的位于高压尾端线路上的电流表的数值明显大于另外两相的位于高压尾端线路上的电流表的数值，另外两相的位于高压尾端线路上的电流表的数值基本相同；若串接的电流表的数值符合这一特征，则能够判断接地故障点位于电压互感器上。
[0047](7)若仍未查找出定子接地故障点，则说明故障点不在发电机定子绕组及已接入其电气主回路的设备及部件上，此时，应按顺序逐步将其他两组PT和避雷器等电气设备接入电气主回路，直至检测出故障所在位置为止。
[0048]应用实例
[0049]某电厂1#发电机110为1000MW级汽轮发电机，额定电压为27kV。1#发电机110正常运行时，监测其机端三相电压PT 二次测量值均为58V，零序电压通常只有0.2?0.3V,接地故障时的报警整定值为5V，保护跳闸整定值为20V。2012年12月16日凌晨0:34，发电机保护装置首先发出定子单相接地报警信号；1小时后即凌晨1:39，继而出现定子单相接地保护跳闸动作。电厂人员经过长达三天时间的分析查找，未能找到故障原因。[0050]首先查看故障前后1#发电机110机端三相电压PT 二次测量值及零序电压测量值，如表I所示，并进一步调出1#发电机Iio跳闸时的机端三相电压波形，如图3所示。可以看出，发生定子接地故障后，1#发电机110—相电压升高、两相电压降低，但三相电压仍维持较大值，故1#发电机110未发生金属性定子接地故障。而采用绝缘摇表又无法查找出1#发电机110定子接地故障位置。
[0051]表I故障前后机端三相电压PT 二次测量值及零序电压的测量值
[0052]
【权利要求】
1.基于故障电流流向的发电机定子绕组及其电气主回路接地故障诊断方法，该方法包括如下步骤:(1)将主变压器和高压厂用变压器与发电机定子绕组电气主回路断开；(2)保留发电机定子绕组电气主回路中的I组电压互感器，供发电机手动励磁建压所用，该I组电压互感器由三只电压互感器组成，对应发电机定子绕组每相各一只，即电压互感器PTA、电压互感器PTB和电压互感器PTC，将发电机定子绕组电气主回路中的其它暂不需要的II组电压互感器、III组电压互感器共六只电压互感器以及避雷器抽出来，与电气主回路相隔离；(3)分别在发电机定子绕组对应的三相线路中串入九只电流表，九只电流表的串接具体位置为:在位于发电机中性点侧与接地变压器的三相连接线路上分别串入一只电流表、在位于发电机出线侧与封闭母线的三相连接线路上分别串入一只电流表、以及在位于三相电压互感器高压尾端线路上分别串入一只电流表；(4)将发电机由自动励磁改为手动励磁，励磁变压器的输入电压为6kV电压；(5)驱动发电机转至3000r/min，采用发电机励磁系统装置的手动励磁模式，从零开始逐渐手动增大励磁电流来提高发电机的机端电压，避免励磁电流增大过快而引起定子接地保护动作，同时密切监视电气主回路中中性点零序电压变化情况，确保中性点的零序电压不超过定子接地保护动作的整定值；(6)在发电机的不同机端三相电压下，利用串接的电流表监测其所在位置的电流值变化情况，来判定发电机定子绕组及其电气主回路是否存在接地故障，并根据对故障位置的分析结果来判断故障点所处的具体位置；(6.1)若接地故障位于发电机的某相定子绕组上，则该故障相的位于中性点侧线路上的电流表的数值明显大于另外两相的位于中性点侧线路上的电流表的数值，另外两相的位于中性点侧线路上的电流表的数值基`本相同；但对于出线侧和电压互感器下方的电流表，位于三条出线侧线路上的三只电流表的数值均基本相同，位于三条高压尾端线路上的三只电流表的数值也均基本相同；若串接的电流表的数值符合这一特征，则能够判断接地故障点位于发电机内部的定子绕组上；(6.2)若接地故障位于发电机外部的某相封闭母线上，则该故障相的位于中性点侧线路上的电流表的数值明显大于另外两相的位于中性点侧线路上的电流表的数值，另外两相的位于中性点侧线路上的电流表的数值基本相同；同时，对于出线侧的电流表，该故障相的位于出线侧线路上的电流表的数值也明显大于另外两相的位于出线侧线路上的电流表的数值，另外两相的位于出线侧线路上的电流表的数值基本相同；但对于电压互感器下方的电流表，位于三条高压尾端线路上的三只电流表的数值均基本相同；若串接的电流表的数值符合这一特征，则能够判断接地故障点位于发电机外部的封闭母线上；(6.3)若接地故障位于某相电压互感器内部，则该故障相的位于中性点侧线路上的电流表的数值明显大于另外两相的位于中性点侧线路上的电流表的数值，另外两相的位于中性点侧线路上的电流表的数值基本相同；对于出线侧的电流表，该故障相的位于出线侧线路上的电流表的数值明显大于另外两相的位于出线侧线路上的电流表的数值，另外两相的位于出线侧线路上的电流表的数值基本相同；对于电压互感器下方的电流表，该故障相的位于高压尾端线路上的电流表的数值明显大于另外两相的位于高压尾端线路上的电流表的数值，另外两相的位于高压尾端线路上的电流表的数值基本相同；若串接的电流表的数值符合这一特征，则能够判断接地故障点位于电压互感器上。(7)若仍未查找出定子接地故障点，则说明故障点不在发电机定子绕组及已接入其电气主回路的设备及部件上，此时，应按顺序逐步将其他两组PT和避雷器等电气设备接入电气主回路，直至检测出故障所.在位置为止。
【文档编号】G01R31/34GK103439656SQ201310263415
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年6月27日 优先权日:2013年6月27日
【发明者】张征平, 涂小涛, 汪进锋, 胡卫 申请人:广东电网公司电力科学研究院