楊峪峰

（國(guó)網(wǎng)四川瀘州市納溪供電有限責(zé)任公司,四川 瀘州 646300）

1 前言

水輪發(fā)電機(jī)是指以水輪機(jī)為原動(dòng)機(jī)，將水能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電機(jī)，是水電站生產(chǎn)的主要?jiǎng)恿υO(shè)備。伴隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，能源危機(jī)成為各國(guó)關(guān)注的重點(diǎn)問題，我國(guó)作為一個(gè)人口大國(guó)，能源形勢(shì)尤其嚴(yán)峻。對(duì)此，政府部門提出了可持續(xù)發(fā)展的理念，加大了對(duì)于綠色可再生能源的開發(fā)力度，水能也因此成為一種重要的能源形式，受到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。需要注意的是，水輪發(fā)電機(jī)作為水電站生產(chǎn)的主要?jiǎng)恿υO(shè)備，其定子繞組一旦出現(xiàn)內(nèi)部故障，會(huì)造成巨大的破壞力，不僅會(huì)影響發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行，甚至可能影響整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和發(fā)展。因此，在水輪發(fā)電機(jī)組，必須配置合理有效的主保護(hù)方案，及時(shí)對(duì)機(jī)組的內(nèi)部故障進(jìn)行檢測(cè)和處理。一般來講，要求發(fā)電機(jī)主保護(hù)在故障后一個(gè)周波左右動(dòng)作，而此時(shí)電機(jī)的正處于過渡過程中，因此，需要對(duì)定子繞組內(nèi)部故障暫態(tài)電流進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，以保證主保護(hù)的正常動(dòng)作。

2 水輪發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部故障場(chǎng)路耦合模型

水輪發(fā)電機(jī)一般情況下結(jié)構(gòu)相對(duì)龐大，要想建立切合實(shí)際的三維電磁場(chǎng)有限元模型幾乎是不可能的，因此，在對(duì)其定子繞組內(nèi)部故障進(jìn)行分析時(shí)，通常都會(huì)建立場(chǎng)路耦合模型，將求解區(qū)域分割為場(chǎng)、路兩個(gè)部分，在方便計(jì)算的同時(shí)，也可以使得計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確真實(shí)。

2.1 電路方程

這里結(jié)合發(fā)電機(jī)慣例，假定定子各相繞組通過正向電流，產(chǎn)生負(fù)值磁鏈，勵(lì)磁繞組通過正向電流，產(chǎn)生正值磁鏈，則電機(jī)回路電壓方程為：

回路電流與線圈電流滿足下列關(guān)系

其中G代表所有線圈支路與回路的關(guān)聯(lián)矩陣。

回路磁鏈并不是單一存在的，而是由兩個(gè)部分組成，即

利用解析法和矢量磁位的軸向分量A2，可以求解出端部漏磁鏈和直線部分磁鏈的數(shù)值：

將（3）式與（1）式合并，可以得到

式中，Ld為常數(shù)矩陣，表示各回路的端部漏感矩陣。

2.2 場(chǎng)路耦合模型

對(duì)上述公式進(jìn)行整理和總結(jié)，可以得到相應(yīng)的矩陣表達(dá)式

通過該矩陣表達(dá)式，就可以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)和路的耦合分析。

3 水輪發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部故障暫態(tài)電流計(jì)算

以當(dāng)前市場(chǎng)中較為常用的SF600-42/1308水輪發(fā)電機(jī)組為例，對(duì)其在內(nèi)部故障暫態(tài)電流計(jì)算方法進(jìn)行分析。

3.1 發(fā)電機(jī)性能參數(shù)

額定功率PN：600MW；

額定電壓UN：20000V；

額定功率因數(shù)：0.925；

空載勵(lì)磁電流If0：1823A；

負(fù)載勵(lì)磁電流IfN：3531A；

定子槽數(shù)Z：504。

3.2 暫態(tài)仿真計(jì)算

結(jié)合上述場(chǎng)路耦合模型，對(duì)內(nèi)部故障暫態(tài)電流進(jìn)行仿真計(jì)算。在發(fā)生內(nèi)部故障后，發(fā)電機(jī)中的磁場(chǎng)不能沿電機(jī)圓周進(jìn)行周期分布，因此需要針對(duì)電機(jī)截面進(jìn)行建模計(jì)算，但是這樣會(huì)造成模型節(jié)點(diǎn)的大量增加，為了縮短計(jì)算周期，保障計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，這里取計(jì)算步長(zhǎng)為1ms。同時(shí)，為了對(duì)分析方法和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，針對(duì)發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)突然單相、兩相以及三相短路后的A向電流的最值和穩(wěn)定值進(jìn)行了計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與經(jīng)典的解析公式法進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如下：

可以看出，采用場(chǎng)路耦合法進(jìn)行水輪發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部故障暫態(tài)電流的計(jì)算具有良好的可行性和可靠性。

故障類型 最大值 穩(wěn)定值解析法/A相對(duì)誤差/%單相短路 105500 108236 2.59 60740 63420 4.41兩相短路 756500 78017 3.13 30660 31564 2.95三相短路 122400 119050 -2.73 37070 38010 2.53場(chǎng)路耦合法/A相對(duì)誤差/%解析法/A場(chǎng)路耦合法/A

3.3 故障規(guī)律分析

水輪發(fā)電機(jī)定子繞組的內(nèi)部故障可以分為匝間短路故障、同相支路間短路故障以及異相支路間短路故障。通過對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)，匝間短路故障在短路匝比在0-20%的范圍內(nèi)，并沒有明顯變化，流入到中性點(diǎn)的故障分支電流與正常分支電流沒有很大的區(qū)別，因此往往是保護(hù)的盲區(qū)。在這種情況下，短路環(huán)電流相對(duì)較大，很可能對(duì)電機(jī)造成嚴(yán)重的損壞，不過由于接觸點(diǎn)的壓差較小，因此發(fā)生的概率較低。同相支路間短路故障的故障分支電流同樣與正常分支電流相近，不過由于在這種情況下短路環(huán)電流極小，幾乎為0，因此不會(huì)對(duì)電機(jī)造成損害。異相支路間短路故障是當(dāng)前電機(jī)內(nèi)部故障中最為常見的類型，故障電流相對(duì)較大，通過配置合理有效的保護(hù)方案，一般都能夠可靠動(dòng)作。

4 結(jié)語

總而言之，在社會(huì)發(fā)展的帶動(dòng)下，水利發(fā)電成為當(dāng)前我國(guó)電力生產(chǎn)的重要組成部分，水輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量直接影響著電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全，應(yīng)該得到相關(guān)管理人員的充分重視，采取合理有效的保護(hù)措施，推動(dòng)我國(guó)水利發(fā)電行業(yè)的穩(wěn)定健康發(fā)展。

[1]肖士勇.水輪發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部短路故障[D].哈爾濱理工大學(xué),2014.

[2]夏長(zhǎng)亮,方紅偉,金雪峰,史婷娜.同步發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部故障數(shù)值分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006,26(10):124-129.