同步发电机励磁绕组匝间短路故障稳态数学模型及仿真

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同步发电机砸间短路故障数学模型分析

第３４卷第１８期２０１０年９月２５日

电力系统自动化

ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃ

ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ

Ｖ０１．３４Ｎｏ．１８

Ｓｅｐｔ．２５，２０１０

同步发电机励磁绕组匝间短路故障稳态数学模型及仿真

郝亮亮，孙宇光，邱阿瑞，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：励磁绕组匝间短路故障会造成发电机励磁电流增大、输出无功功率减小、振动加剧等。为实现故障在线监测与保护，需准确快速计算故障电流等电气量。应用交流电机的多回路理论，基于对故障时定、转子电流稳态特征的分析，得到各回路电流的稳态表达式；根据同频率量相等的原则，将稳态时的微分方程组转化为线性代数方程组，得到励磁绕组匝间短路故障的稳态数学模型；利用高斯消去法可直接求得所有回路电流中各种交、直流分量的稳态解，快速实现故障的稳态计算。对一

台１２ｋＷ、３对极的隐极同步发电机进行了空载时励磁绕组匝间短路实验，稳态仿真结果与实验吻

合较好。该方法可比暂态仿真减少９０％的计算时间，为同步发电机励磁绕组匝间短路故障的监测与保护奠定了基础。

关键词：同步发电机；励磁绕组匝间短路；多回路分析法；稳态数学模型

０

引言

随着中国电网的迅猛发展及发电机单机容量的

仿真自故障发生到进入稳态的整个过渡过程，但对于定子支路数、极对数、阻尼回路数多的电机，通过暂态计算得到稳态量会花费相当长的计算时间，在实际应用中存在局限性。

本文基于同步发电机励磁绕组匝间短路故障的稳态电气量特点，建立励磁绕组匝闻短路的稳态多回路数学模型，可实现对故障的准确、快速仿真。

１

不断增大，人们对发电机的安全可靠运行提出了越来越高的要求。励磁绕组匝间短路是发电机经常发生的电气故障，轻微的匝间短路不会对发电机运行产生严重影响，但如果故障继续发展，，会造成发电机励磁电流增大、输出无功功率减小、振动加剧等不良影响。短路点处局部过热还可能使故障演化为转子接地故障，给机组安全稳定运行带来巨大威胁Ｌ１］。

利用发电机运行中的电气量实现对励磁绕组匝间短路故障的在线监测与保护是今后的研究趋势心］。要实现这一目标，必须先解决故障的准确计算问题，进而完成短路匝数的确定及短路位置的判断。近年来国内外专家学者对故障检测提出了很多方法，但都局限于定性的理论分析与实验研究Ｌ３呻】。

多回路分析法［１０］按照电机定、转子绕组的实际连接情况分析各回路的电压和磁链关系。在计算由多个线圈串、并联而成的绕组回路参数时，能够深入到定子相绕组和转子绕组内部，并能考虑气隙谐波磁场，其正确性经过多次实验检验１１１｜，成功解决了定子绕组内部故障的计算问题，并应用于发电机内部故障主保护的定量化设计中¨２｜。

在励磁绕组匝间短路故障的监测与保护中，更关注故障电气量的稳态特征及大小，暂态计算虽能

同步发电机励磁绕组匝间短路故障的稳

态数学模型

本文各电磁量正方向的规定同文献［１０］，即定子各支路正值电流产生负值磁链，其电压、电流关系按发电机惯例；转子各回路正值电流产生正值磁链，其电压、电流关系按电动机惯例。

１．１

回路（支路）的电压方程和磁链方程

同步发电机发生励磁绕组匝间短路后，如图１

所示，励磁绕组被分为正常励磁回路（电流为ｉｆ）与故障附加回路（电流为ｉ札）。图中：Ｅｚｒ为励磁电势；Ｒｍ。为励磁短接线电阻；ＲｚＦ为励磁电源内阻。

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励磁绕组匝间短路时励磁回路

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磁电动势不再相等，会引起相绕组内部的不平衡电

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