核电汽轮发电机定子内部短路故障特征与电磁性能研究

发布时间：2020-03-21 02:03

【摘要】：随着我国核电技术向第三代大容量、高性能转变,其核心装置核电汽轮发电机的单机容量也逐渐增大。大型核电汽轮发电机组的故障停机会导致重大的经济损失,因此大型核电汽轮发电机的安全稳定运行越来越受到人们的关注。定子内部短路故障是大型同步发电机内一种较为常见且破坏性很强的故障,故障诊断方法与保护方案一直是研究的热点。大型同步发电机定子内部短路的故障特征与物理量的变化规律不仅是故障诊断与保护的基础,对其他特种电机的内部故障监测与保护也具有一定的参考价值。因此,核电汽轮发电机定子内部短路故障特征与电磁性能的研究具有重要的理论意义和实际价值。提出了同步发电机定子内部短路故障暂态过程中电磁转矩特性的解析分析方法,着重研究在考虑偏心振动的影响下,定子内部短路故障后暂态过程中电磁转矩的幅频特性。建立同步发电机二维场-多回路耦合数学模型,采用动模实验验证了仿真模型的准确性。同时结合麦克斯韦张量法计算了同步发电机定子内部短路故障前后的电磁转矩,并对故障前后电磁转矩进行频谱分析。基于理论与仿真分析结果,提出了利用故障暂态过程中电磁转矩特性作为定子内部短路故障诊断特征的方法。短路故障后各频率电磁转矩特性随着短路匝数和短路位置变化规律的研究,反映了暂态过程中电磁转矩特性作为故障特征具有较高的灵敏度。为了研究定子内部短路故障对转子涡流损耗的影响,建立了核电汽轮发电机二维场-多回路耦合数学模型。计算了核电汽轮发电机故障前后影响转子表面涡流损耗的气隙磁密,并利用快速傅立叶方法对气隙磁密进行谐波分析,得到了故障后气隙磁密各次谐波的瞬态变化以及不同故障情况下各次谐波幅值平均值的变化规律。结合涡流损耗计算方法,计算并分析了核电汽轮发电机定子内部短路故障前后转子表面小齿和槽楔的瞬态涡流损耗与一个周期内的平均涡流损耗。通过对不同故障情况下转子表面小齿、大齿和槽楔平均涡流损耗的计算,得到了定子内部短路不同故障情况下转子表面涡流损耗的分布规律,为不同故障下电机温升的研究奠定了基础。为了研究定子内部短路故障对核电汽轮发电机电磁力动态变化与分布的影响,在核电汽轮发电机磁场计算结果的基础上,结合麦克斯韦张量法与洛伦兹力原理对定子内部短路故障后核电汽轮发电机的局部电磁力进行计算。揭示了短路故障后转子受到的径向力与切向力,定转子槽齿壁电磁力以及定转子绕组径向力与切向力的变化规律与分布特征,通过对电磁力的分布特征分析,确定了电磁力相对集中的区域,为故障的进一步发展趋势的研究提供理论依据。为了能够得到更多有效的故障特征量,提出一种图形化诊断同步发电机定子内部短路故障的方法。基于李撒如正弦波信息交融理论,融合同步发电机定子三相支路电压、电流的幅值与相位等信息,建立定子三相支路电气量李撒如数学模型。通过模型的理论分析与动模实验证明了李撒如图形的参量作为监测与诊断的故障特征量能够有效的表征出定子内部短路故障,并提取了多种故障特征量,为同步发电机定子绕组短路故障监测和诊断提出了新的思路。
【图文】：

同步发电机,求解域,定子,有限元模型

电机内的磁场已经不像正常运行时一样对称分布，因此必须要建立同步发电机的全域模型，求解域模型如图2-4 所示。为了便于计算和减少仿真时间，本文在保证精度的前提下对模型做如下处理：假设同步发电机无限长，发电机内的电磁场为似稳场，不存在位移电流，只考虑轴向流，即将发电机视为全域二维场进行分析；假设同步发电机不存在外部磁场，即定子外径圆周的矢量磁位恒为零；假设同步发电机直线部分各轴向位置磁场分布是一致的，电机端部的漏磁场采用外电路的漏电抗进行等效；忽略定子硅钢片和源电流的涡流；忽略铁磁材料的磁滞效应和电导率σ 的温度效应。

闭合曲线,同步发电机,实验值,电磁转矩

b) 故障后 C 相电流的仿真值和实验值图 2-6 同步发电机的仿真值与实验值Fig.2-6 Simulation and experiment value of synchronous gener障前后电磁转矩特性的仿真分析克斯韦张量法，计算作用于同步发电机定子和转子的在气隙选取一个闭合曲面作为计算路径。对于二维场总的电磁转矩可以可以其中的闭合曲线的积分进行计为 r，则同步发电机定子内部短路故障前后的电磁转矩ef20e rdlT r B Bμθ θ= 气隙中的任意圆周半径；rB 为半径 r 处气隙磁密的径向隙磁密的切向分量。算方便，，式（2-22）为电磁转矩的极坐标表达形式。载流导体和铁磁物质，麦克斯韦张量法所求取的电磁小和积分路径关系较小，但从公式（2-22）中可以看
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM311

【参考文献】