大型水轮发电机多采用多分支结构，发电机对地分布电容较大，定子绕组单相接地故障可能造成定子铁芯灼伤或发展成更严重的故障［1-2］。目前主要的保护原理有基波零序电压保护［3-4］、3次谐波电压保护［5］和注入式定子单相接地保护［6-8］。上述保护原理成熟，在现场得到了广泛应用，但均没有故障定位功能。实现大型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。
基波零序电压幅值受中性点接地方式和接地点过渡电阻的影响较大，仅利用零序电压幅值不能实现准确的故障定位。文献［9-10］利用行波信号实现定子单相接地故障定位，但行波信号测量困难，且受故障时刻和故障点过渡电阻影响较大。文献［11］首先利用注入信号计算接地电阻，再根据零序电压幅值计算故障点位置。该方法需要注入式定子接地保护，应用范围受限，且接地电阻的计算误差受配电变压器参数的影响。文献［12］提出一种不依赖注入信号的定子单相接地故障定位方法，利用机端三相电压大小与过渡电阻有关的特征，通过高相与次高相电压的平方差和高相与故障相电压的平方差比值计算过渡电阻。文献［13-14］利用计算绕组合成电势的相位寻找故障位置，该方法仍然利用了注入式定子接地保护，应用范围受限，且水轮发电机每极每相槽数一般为分数，即绕组合成电势的相位角与故障位置不存在对应关系，所以不适用于水轮发电机。
针对上述问题，本文以瀑布沟600 MW水轮发电机机组为例对水轮发电机绕组电动势特征进行了分析，给出了水轮发电机绕组基波电势和故障位置关系的近似表达式。分析了发生定子单相接地故障时基波零序电压相位与过渡电阻和故障位置的关系，提出了一种适用于大型水轮发电机的定子单相接地故障定位方法，该方法同时利用了基波零序电压幅值和相位，适用于各种中性点接地方式。对所提出的方法进行了仿真分析。
1 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如图1所示。图1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。
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