同步发电机励磁绕组匝间短路的数学模型与故障特征第1页,同步发电机励磁绕组

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

同步发电机励磁绕组匝间短路的数学模型与故障特征

孙宇光,郝亮亮,王祥珩

(电力系统国家重点实验室,清华大学电机系,北京市100084)

摘要:为实现励磁绕组匝间短路故障的早期诊断,需要准确计算故障电流等电气量。考虑到转子故障引起的气隙磁场的各种空间谐波、定子相绕组内部不平衡电流和励磁绕组电路拓扑结构的改变,建立了同步发电机励磁绕组匝间短路故障的扩充的多回路数学模型,并准确计算了与发生匝间短路故障的励磁绕组有关的电感参数,利用数值方法可对发电机励磁绕组匝间短路故障整个过渡过程中定子各分支及转子绕组电流等电气量进行数字仿真。在一台3对极隐极同步发电机上进行了转子匝间短路的实验研究,并利用文中的数学模型做了相应的仿真计算。故障过渡过程和稳态的实验结果均与仿真结果相吻合,验证了数学模型的正确性和仿真程序的准确性。通过仿真和实验归纳出这台电机励磁绕组匝间短路的稳态故障特征,可为转子匝间短路的检测与保护提供依据。关键词:同步发电机;励磁绕组;匝间短路故障;扩充的多回路模型

0 引言

同步发电机励磁绕组匝间短路是一种常见的电气故障。一般轻微的转子匝间短路不会对发电机运行产生严重影响,而且现有的匝间短路保护原理尚不完善,所以目前并不要求必须装设转子绕组匝间短路保护。但如果故障继续发展,会使励磁电流显著增加,发电机输出无功功率减小,机组振动加剧,短路点处的局部过热还可能使故障衍化为转子一点甚至两点接地故障,损坏转子铁芯并可能引起转子大轴磁化,严重情况下还会烧伤轴颈和轴瓦,给机组的安全运行带来巨大威胁[1]。

目前对发电机励磁绕组匝间短路的研究,主要通过实验检测和定性分析,得到两极汽轮发电机转子匝间短路故障会在定子并联支路中产生偶次谐波

[2-3]

环流的规律,也研究了某些发电机励磁电流的故

[4-6]

障谐波特征。也有学者提出利用机组振动特性[7]和电机轴电压[8]进行检测,但这些成果尚不能为设计转子匝间短路保护提供定量化依据。

为了准确计算故障后的励磁电流和定子电流等电气量,本文在文献[9]计算凸极同步电机励磁绕组匝间短路的基础上,对多分支同步发电机的多回路数学模型进行了扩充,实现了各种同步发电机(包括凸极机和隐极机)励磁绕组匝间短路故障的仿真计算,并应用于一台隐极同步实验样机上。

收稿日期:2010-10-06;修回日期:2010-11-19。

国家自然科学基金资助项目(50807027);清华大学博士生科研创新基金资助项目;已申请国家发明专利(申请号:201010128929.4)。

1 用扩充的多回路数学模型研究发电机励磁绕组匝间短路故障

交流电机的多回路分析法[10]以单个线圈为分析单元,在计算由多个线圈串、并联而成的定、转子绕组参数时,先得到单个线圈的参数,然后根据各绕组的实际组成情况,由有关线圈的参数计算出绕组回路参数。该方法能深入到电机绕组内部分析各回路的电流、电压分布情况,而且能够计及气隙磁场的

[11-12]

各种谐波,不仅能够分析定子绕组内部故障,也可用于对发电机励磁绕组匝间短路故障的计算[9]。

本文对文献[9]的多回路数学模型进行了合理扩充,用来计算同步发电机励磁绕组匝间短路故障时定、转子绕组各回路电流及电压。为不失一般性,可只分析励磁绕组并联支路数为1且只有一处发生匝间短路的情况。

1.1 定子各回路的电压方程

励磁绕组匝间短路会引起相绕组内部的不平衡电流,因此不能以相绕组为单元列写定子方程。以图1中每相2分支的电机为例,选取5个回路电流作为定子电流的独立变量。图1中实线箭头代表定子支路的正方向,虚线箭头和带括号的数字代表定子回路的正方向和回路序号。如果电机定子每相并联支路数为n,那么数学模型中定子有NS=3n-1个回路。

以定子各回路电流作为变量,可列出定子各回路的电压方程:

U]=D7Sc+RScISc+MS,TDISc+RS,TISc(1)式中:U]代表无穷大电网的电压,是NS维已知向量;D为微分算子;向量7Sc和ISc分别为定子各回

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