本文關(guān)鍵詞：同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路故障穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型及仿真，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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第35卷 第6期2011年3月25日Vol.35 No.6Mar.25,2011

同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路的數(shù)學(xué)模型與故障特征

孫宇光,郝亮亮,王祥珩

(電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,清華大學(xué)電機(jī)系,北京市100084)

摘要:為實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁繞組匝間短路故障的早期診斷,需要準(zhǔn)確計(jì)算故障電流等電氣量。考慮到轉(zhuǎn)子故障引起的氣隙磁場(chǎng)的各種空間諧波、定子相繞組內(nèi)部不平衡電流和勵(lì)磁繞組電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變,建立了同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路故障的擴(kuò)充的多回路數(shù)學(xué)模型,并準(zhǔn)確計(jì)算了與發(fā)生匝間短路故障的勵(lì)磁繞組有關(guān)的電感參數(shù),利用數(shù)值方法可對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路故障整個(gè)過渡過程中定子各分支及轉(zhuǎn)子繞組電流等電氣量進(jìn)行數(shù)字仿真。在一臺(tái)3對(duì)極隱極同步發(fā)電機(jī)上進(jìn)行了轉(zhuǎn)子匝間短路的實(shí)驗(yàn)研究,并利用文中的數(shù)學(xué)模型做了相應(yīng)的仿真計(jì)算。故障過渡過程和穩(wěn)態(tài)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均與仿真結(jié)果相吻合,驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的正確性和仿真程序的準(zhǔn)確性。通過仿真和實(shí)驗(yàn)歸納出這臺(tái)電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路的穩(wěn)態(tài)故障特征,可為轉(zhuǎn)子匝間短路的檢測(cè)與保護(hù)提供依據(jù)。關(guān)鍵詞:同步發(fā)電機(jī);勵(lì)磁繞組;匝間短路故障;擴(kuò)充的多回路模型

0 引言

同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路是一種常見的電氣故障。一般輕微的轉(zhuǎn)子匝間短路不會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響,而且現(xiàn)有的匝間短路保護(hù)原理尚不完善,所以目前并不要求必須裝設(shè)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路保護(hù)。但如果故障繼續(xù)發(fā)展,會(huì)使勵(lì)磁電流顯著增加,發(fā)電機(jī)輸出無(wú)功功率減小,機(jī)組振動(dòng)加劇,短路點(diǎn)處的局部過熱還可能使故障衍化為轉(zhuǎn)子一點(diǎn)甚至兩點(diǎn)接地故障,損壞轉(zhuǎn)子鐵芯并可能引起轉(zhuǎn)子大軸磁化,嚴(yán)重情況下還會(huì)燒傷軸頸和軸瓦,給機(jī)組的安全運(yùn)行帶來巨大威脅[1]。

目前對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路的研究,主要通過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)和定性分析,得到兩極汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障會(huì)在定子并聯(lián)支路中產(chǎn)生偶次諧波

[2-3]

環(huán)流的規(guī)律,也研究了某些發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的故

[4-6]

障諧波特征。也有學(xué)者提出利用機(jī)組振動(dòng)特性[7]和電機(jī)軸電壓[8]進(jìn)行檢測(cè),但這些成果尚不能為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子匝間短路保護(hù)提供定量化依據(jù)。

為了準(zhǔn)確計(jì)算故障后的勵(lì)磁電流和定子電流等電氣量,本文在文獻(xiàn)[9]計(jì)算凸極同步電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路的基礎(chǔ)上,對(duì)多分支同步發(fā)電機(jī)的多回路數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了擴(kuò)充,實(shí)現(xiàn)了各種同步發(fā)電機(jī)(包括凸極機(jī)和隱極機(jī))勵(lì)磁繞組匝間短路故障的仿真計(jì)算,并應(yīng)用于一臺(tái)隱極同步實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上。

收稿日期:2010-10-06;修回日期:2010-11-19。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50807027);清華大學(xué)博士生科研創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目;已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利(申請(qǐng)?zhí)?201010128929.4)。

1 用擴(kuò)充的多回路數(shù)學(xué)模型研究發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路故障

交流電機(jī)的多回路分析法[10]以單個(gè)線圈為分析單元,在計(jì)算由多個(gè)線圈串、并聯(lián)而成的定、轉(zhuǎn)子繞組參數(shù)時(shí),先得到單個(gè)線圈的參數(shù),然后根據(jù)各繞組的實(shí)際組成情況,由有關(guān)線圈的參數(shù)計(jì)算出繞組回路參數(shù)。該方法能深入到電機(jī)繞組內(nèi)部分析各回路的電流、電壓分布情況,而且能夠計(jì)及氣隙磁場(chǎng)的

[11-12]

各種諧波,不僅能夠分析定子繞組內(nèi)部故障,也可用于對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路故障的計(jì)算[9]。

本文對(duì)文獻(xiàn)[9]的多回路數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了合理擴(kuò)充,用來計(jì)算同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路故障時(shí)定、轉(zhuǎn)子繞組各回路電流及電壓。為不失一般性,可只分析勵(lì)磁繞組并聯(lián)支路數(shù)為1且只有一處發(fā)生匝間短路的情況。

1.1 定子各回路的電壓方程

勵(lì)磁繞組匝間短路會(huì)引起相繞組內(nèi)部的不平衡電流,因此不能以相繞組為單元列寫定子方程。以圖1中每相2分支的電機(jī)為例,選取5個(gè)回路電流作為定子電流的獨(dú)立變量。圖1中實(shí)線箭頭代表定子支路的正方向,虛線箭頭和帶括號(hào)的數(shù)字代表定子回路的正方向和回路序號(hào)。如果電機(jī)定子每相并聯(lián)支路數(shù)為n,那么數(shù)學(xué)模型中定子有NS=3n-1個(gè)回路。

以定子各回路電流作為變量,可列出定子各回路的電壓方程:

U]=D7Sc+RScISc+MS,TDISc+RS,TISc(1)式中:U]代表無(wú)窮大電網(wǎng)的電壓,是NS維已知向量;D為微分算子;向量7Sc和ISc分別為定子各回

)

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