凸极发电机定子绕组故障瞬变

凸极发电机定子绕组故障瞬变

过程仿真及其规律探讨

　　邰能灵¹，尹项根²

（1.上海交通大学电力学院，上海200030；2.华中科技大学电力系，湖北武汉430074）
　　

    摘要：以分支为基础，建立凸极发电机定子绕组内部故障瞬变过程的数字模型。通过将短路环等效为一个独立的分支，使各种故障经过变换后得到统一的形式。结合动模实验结果，对并网发电机内部故障后的瞬变规律进行探讨，研究故障后各电气量的变化对继电保护的影响，并对不同的故障类型进行了简单的比较。

关键词：凸极发电机；短路故障；定子绕组；继电保护

1　引言

　　运行经验表明，发电机定子绕组内部故障是电机破坏性很强的故障，必须对其进行深入研究。多回路分析法以线圈为基础论述电机的基本电磁关系，从而能深入到绕组内部对发电机内部故障稳态规律进行分析［1，2］。经过在多台水轮发电机中的应用，证明了它的有效性。但发电机通常要求主保护在1个周波左右动作，此时电机的过渡过程还没有结束。因此需要了解内部故障的瞬态情况，以便准确评价和选用不同的保护方案［3］。本文以分支为基础建立凸极发电机定子故障瞬变过程的模型。通过对一台模拟发电机故障瞬变过程的仿真计算，探讨其内部故障规律和故障瞬态特性，并研究故障后各电气量的变化对继电保护的影响。

2　凸极发电机定子故障瞬变过程仿真模型

　　发电机定子绕组内部瞬态短路时，不仅定子各分支的电流不相等，不同极下各阻尼回路的电流也不相同。因此严格地说，此时电机的总回路数应包括定子各支路，转子励磁绕组和各极阻尼回路。大型水轮发电机极对数多，阻尼回路数就更多，所以阻尼回路的简化是一个关键问题。在假定不关心阻尼回路电流的前提下，可以按传统做法，将阻尼绕组等效为纵轴和横轴阻尼绕组，这样对定子分支电流的讨论是合适的。本文通过将短路环等效为一个独立的分支，将电压回路方程和磁链方程以规范形式给出。从而使发电机瞬变模型具有开放结构，为外部系统提供了标准接口———端口电压，使发电机瞬变仿真模型与外部系统具有相对的独立性，进而能够对负载运行的发电机绕组内部故障进行合理的分析。

2．1　仿真模型的建立

    根据发电机惯例^[4]，可建立正常发电机的模型^［3］。而对于任何一种绕组短路故障，通过建立通用的短路环电压方程和相应的故障支路电压方程，即可建立起故障发电机的电压方程。
    （1）异相分支间短路（相间短路）
    如图1，假设A1分支与B1分支之间短路，过渡电阻为Rg，短路环电流Ie，短路回路磁链φe，短路环电流以顺时针为正向，短路环电压方程为：

    （2）同相不同分支短路（设A1与A2支路短路）分别将Ib1用Ia2，ub用ua代替后，电压回路方程同相间短路。
    （3）同分支匝间短路
     如图2，设A1分支发生短路。短路环电压方程：

    （4）断线故障
     设A₁分支发生断线故障，则有Ia1＝0。同理，磁链计算时，短路环可以等效为一条独立支路。通过相应改变其它分支的磁链表达式，就可建立该故障对应的磁链方程［3］。对断线故障，磁链方程减少一维。

    2．2　模型的仿真验证

　  仿真系统的接线如图3所示，设发电机经升压变压器与电力系统并列运行。作为无限大电源，三相电动势幅值恒定不变，它与发电机三相电势间的相位差随两侧电源间的有功、无功功率大小而变。
    无限大系统三相电压为［3］：

    15k VA凸极模拟发电机每相有2个并联分支，每支路串联10个线圈，机端附近5个线圈为每线圈4匝，中性点附近5个线圈为2匝。短路前，电机为额定运行，励磁电流1．55 A，输出功率12 k W，功率因数0．8，额定相电压幅值115 V，经升压变后为800V，接于220 k V模拟线路，系统联系阻抗的标幺值为Z＝0．01＋j0．354。表1为模拟电机的计算和动模数据比较，其中Irg为短路环电流，Io为单元件横差电流，3 Uo为机端对中性点的纵向零序电压，其余为各分支电流，各电量均取标幺值。为符合继电保护的要求，本文讨论的暂态电流均为短路后，第1个工频周期内的基波有效值。

3　凸极发电机定子绕组内部故障瞬变过程探讨　　

   　一般地，内部故障的稳态电流和瞬态电流在波形上存在明显差异［4］，图4和图5是模拟电机在两种不同情况下短路的录波曲线。由图可见，瞬态电流有较大的冲击电流和衰减直流分量，其最大值大约是稳态电流幅值的2倍。因此基于瞬态的发电机仿真程序能为保护方案的研究提供更真实的依据。

3．1　匝间短路故障规律

　　图6为匝间短路故障情况。短路前运行工况同上。首先讨论A1分支上发生对中性点金属性短路。定义α为从故障点到中性点的匝数占该支路总匝数的百分比。图7为各电量随短路匝比α变化的关系曲线。从图7可以看出：　　

    （1）负载情况下，Irg、IA1和IAK随短路匝比α的变化规律不尽相同。IA1基本上随α的增大而增大，分支上的短路点越接近于机端，其电流值越大。短路匝电流IAK的变化规律则与发电机的结构有非常密切的关系。如在0～50％和50％～100％的范围内，短路匝电流虽然均随匝比增大而减小，但在两者的交界，即在50％与60％之间，IAK呈增大趋势。短路环电流为短路匝电流IAK和分支电流IA1的矢量差，受发电机结构的影响也很大。其曲线基本上呈
盂盆状，中间比较平缓，两侧较陡。这是由于IAK和IA1在中性点和机端附近各有一段较陡的变化所致。

    （2）从图7还可以看出，单元件横差电流Io的变化不仅与短路匝比有关系，还与绕组的连接方式和短路空间位置有关，因此其变化规律必须结合系统实际情况才能确定。但从其变化曲线来看，随着α的增大，将有利于单元件横差保护可靠动作。
    （3）表2是A1分支3种不同位置匝间短路瞬态电流计算结果。可见，同一支路上发生相同匝比的匝间短路时，由于短路的空间位置不同，短路线圈与其它回路的互感也不相同，短路后各电量将会发生变化。例如表中3、4行的A2分支电流要小于正常电流值，这与实验中A1支路10％对中性点短路的结果类同。同样，其它各分支的电流也有很大的差别。可见，当不同的空间位置发生相同匝数的短路故障时，各种匝间短路保护方案的灵敏度是不一样的。

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