大型水轮发电机单机容量大，绕组结构复杂，故障后需要尽快检修以保障系统正常供电。定子绕组单相接地故障是发电机最常见的故障类型之一，目前大型发电机定子绕组接地保护主要包括基波电压保护、三次谐波电压保护及利用外加低频电压源构成的注入式保护，共同构成两套100%定子单相接地保护。

现有保护方法不具备故障定位功能，在实际工程中通常需要基于“二分法”逐次测量绕组线圈的绝缘情况以确定故障位置，费时费力。如果再发生接地故障后能够依据实时故障录波数据准确定位故障线圈，将缩短故障排查时间，提高供电可靠性。汽轮发电机具有特殊的绕组分布形式，定位方法相对成熟，能够准确定位故障位置。而对于水轮发电机而言，其绕组电压分布形式多样，难以仿照汽轮发电机提出通用的几何关系，其故障定位方法还有改进的空间。

现有定位方法未考虑负载工况下电枢反应对绕组电压分布的影响，强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学）、电力安全与高效湖北省重点实验室（华中科技大学）的谭力铭、尹项根、王义凯、乔健、徐雯，基于对电枢反应机理的深度研究，得出不同负载工况下定子绕组电压与空载情况下定子绕组电动势分布规律相同的结论，提出一种自适应工况的大型水轮发电机定子绕组单相接地故障定位方法。

图1 故障定位方法流程

研究人员首先根据水轮发电机基本参数和绕组连接顺序计算绕组空载电动势分布，利用故障绕组电动势和中性点零序电压构建故障评价函数实现空载工况下的故障定位。发电机负载工况下的电枢反应会改变故障绕组电压分布形式，考虑电枢反应后能够避免在负载工况下存在定位偏差的问题。

表1 部分故障场景下的故障定位结果

他们对电枢反应电动势的产生机理及其分布形式进行深度分析，基于电枢反应磁动势与励磁磁动势同步旋转相对静止的特点，得出负载情况下故障绕组各线圈电压分布形式与空载情况下各线圈电动势分布形式相同的结论。据此计算实时负载工况下发电机绕组电压分布形式，并对空载故障评价函数进行修正，给出负载情况下的自适应故障评价函数。

然后通过计算绕组上各虚拟故障点对应的自适应故障评价函数值并进行比较，将故障评价函数极小值对应的虚拟故障点作为定位结果并计算故障过渡电阻。若故障评价函数存在多个极小值，则通过注入式保护的过渡电阻测量值协助判断实际故障线圈。研究人员进一步指出，在PSCAD/EMTDC中搭建水轮发电机准分布参数模型，仿真结果表明了该方法在不同故障条件和运行工况下均能准确定位故障位置，为故障检修提供了参考。

本文编自2022年第17期《电工技术学报》，论文标题为“自适应工况的大型水轮发电机定子接地故障定位方法”。本课题得到国家自然科学基金资助项目的支持。