摘要：定子单相接地是发电机最为常见的一类故障，当发电机定子单相接地故障发生时，若不能进行及时的排查，故障电流将危及定子铁芯，甚至发展成危害更大的相间和匝间短路故障。理论分析和仿真测试结果表明：所提方法适用于大型水轮发电机，且不受中性点接地方式的影响，提高了故障定位的准确性。
关键词：发电机;定子单相接地;故障定位
发电机定子绕组单相接地故障是发电机定子绕组绝缘最常见的故障，可能造成定子铁芯的烧损、接地故障扩大为相问或匝间短路，后果严重。发电机定子单相接地故障的定位一般需要先测量或计算获得定子接地过渡电阻。对于高阻接地方式的发电机，虽然可以采用注入式定子接地保护来获得过渡电阻，并进一步定位定子单相接地故障，但是注入式定子接地保护一般只在特大型机组上应用，该类故障定位方法的应用范围受到了很大限制。目前主要的保护原理有基波零序电压保护、3 次谐波电压保护和注入式定子单相接地保护原理成熟，在现场得到了广泛应用，但均没有故障定位功能。实现水轮发电机定子单相接地故障定位能扩展目前保护的功能，为故障快速检修提供参考。
一、定子单相接地故障定位的关键技术
发电机定子A 相接地故障的示意图中，CA、CB和CC分别为定子绕组A、B、C 相对地电容;Rk为接地故障电阻;E（α）为故障点到中性点的绕组基波合成电势，α 为故障点到中性点的定子绕组匝数占总绕组匝数的百分比;Ik为故障点的接地电流;EB和EC分别为故障前发电机B、C 相的基波电势，该基波电势为包含电枢反应电势的总电势;U0为故障后的基波零序电压;Z 为中性点的接地阻抗，其数值与发电机中性点的接地方式有关。
发生定子单相接地故障后，忽略分布电容产生的暂态电压分量，仅考虑基波电压分量，发电机发生定子单相接地故障时，故障定位的关键是计算接地电阻值。对于采用注入式定子接地保护的机组，可利用注入信号计算接地电阻。若不采用注入式定子接地保护，接地电阻的计算是故障定位的关键。以定子单相接地故障后故障分量基波零序电压的幅值和相位特征，提出了一种适用于水轮发电机的单相接地故障定位方法。
二、发电机定子单相接地故障定位方法
1、定子单相接地故障定位的基本原理。定子单相接地故障选相是定子单相接地故障定位的基础，高阻接地故障时，低电压选相算法的灵敏度较低，[1]提出了基波零序电压故障分量相位特征的选相算法，利用该方法首先选出故障接地相。故障分量基波零序电压的大小和故障位置、过渡电阻有关。仅利用基波零序电压大小不能准确定位故障位置，适用于水轮发电机的定子单相接地故障定位方法。
2、误差分析。考虑绕组的基波合成电势与基波相电势的相位特征，定义E（α）=αEAe jθ，则基波零序电压故障分量ΔU0和故障相基波电势Eφ的相位关系为：
发电机一般采用中性点经高阻接地或经消弧线圈接地，对接地方式下的定子单相接地故障定位方法的误差进行分析。
（1）经高阻接地方式。当中性点经接地变压器接地时有Z=RN，一般取RN=1 /（ωC鄱）。绕组合成电势与相电势的相位角θ 的范围取- 2°-2°。接地故障电阻Rk和发电机定子绕组总对地容抗1＼（ωC鄱）的比值d（d = RkωC鄱）取0-1 时，定位误差。
（2）经消弧线圈接地方式。中性点经消弧线圈接地时有Z = XL（XL= jωLN，LN为消弧线圈的电感）。定义补偿度系数v=1＼（ω2LNC鄱），水轮发电机一般采用欠补偿方式，取补偿度系数v = 0.85。绕组合成电势与相电势的相位差θ 的范围取-2°-2°。接地故障电阻Rk和定子绕组总对地容抗1＼（ωC鄱）的比值d（d = RkωC鄱）取0-1 时，定子单相接地故障的定位误差。
（3）发电机参数不平衡对算法的影响。正常运行时产生的基波零序电压U（0）0会影响定子单相接地故障定位精度。当α > 40% 时，正常运行时的基波零序电压U（0）0已远远小于故障位置绕组的合成电势E（α），U（0）0对E（α）的影响较小。为减小正常运行时的零序电压对定子单相接地故障定位算法的影响，可对其进行修正。
3、仿真分析。按照机组绕组结构，利用电磁暂态仿真软件EMTDC 建立了水轮发电机定子单相接地故障仿真模型，定子绕组采用分布参数电路模型，划分为30 个单元电路，定子绕组的电阻、漏电感和对地分布电容均分到各单元中。水轮发电机额定容量PN=600 MW，额定电压UN =20 kV，定子每相分支数为6，定子绕组每相电阻Rs=1.03mΩ，每相定子漏电感Ls =445.63 μH，每相对地电容CG=1.42 μF。与水轮发电机出口母线相连的其他设备每相对地电容CB= 0.2μF，接地高阻RN=655 Ω，消弧线圈电感LN=2.45 H。故障点设置为A 相距中性点15 匝（α=50%）和21 匝（α = 70%）处，Rk分别取20 Ω、500 Ω、1000 Ω、3 000 Ω，考虑水轮发电机三相参数不平衡对算法的影响，取CA=CB、CC= 0.95CA，对水轮发电机中性点经高阻接地和经消弧线圈接地进行仿真分析，利用原始算法和修正后的算法计算测量电阻和故障位置，仿真结果（其中U0、EA分别为U0、EA的幅值）。由分析可得：利用基波零序电压幅值的定子单相故障定位方法，在高阻接地时已不适用;所提出的定子单相故障定位方法适用于各种中性点接地方式，定位结果较准确，而高阻接地时，受绕组合成电势相位的影响，定位误差会增大，但处于允许范围内;水轮发电机自身参数的不平衡对算法影响较小，且利用修正算法能减小自身参数不平衡对算法的影响。
结论
发电机单相接地故障时，基波零序电压的大小受過渡电阻的影响较大。本文分析了大型水轮发电机的绕组基波电势特征，定子单相接地故障时基波零序电压相位特征与故障位置和过渡电阻的关系，提出了一种适用于大型水轮发电机的定子绕组单相接地故障定位新原理。所提定子单相故障定位方法综合利用了基波零序电压故障分量的幅值和相位信息，适用于各种中性点接地方式，简单易行，无需增加额外设备，在高阻接地故障时同样适用，仿真数据验证了该方法的可行性。
参考文献
[1] 党晓强，刘俊勇，杨可.水轮发电机定子单相接地故障行波定位[J].电力系统自动化，2018，30（23）：74-78.
[2] 王祥珩，李德佳.发电机定子绕组单相接地故障的定位方法[J].电力系统自动化，2019，28（22）：55-57.
[3] 黄晓鹏，丁永允，赵帅达. 发电机定子绕组单相接地故障的定位方法[J]. 电力系统自动化，2020，28（22）：55-57.