武玉才,　袁浚峰

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定　071003)

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不同勵(lì)磁模式下的汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障特征分析

武玉才,袁浚峰

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定071003)

轉(zhuǎn)子繞組匝間短路是汽輪發(fā)電機(jī)常見(jiàn)故障之一，早期的準(zhǔn)確檢測(cè)對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。利用Ansoft與Simplorer軟件建立同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的聯(lián)合仿真模型，分別在恒勵(lì)磁電流和恒勵(lì)磁電壓兩種勵(lì)磁模式下，得到轉(zhuǎn)子繞組匝間短路時(shí)發(fā)電機(jī)各特征量的變化規(guī)律。通過(guò)比較，分析不同勵(lì)磁模式下轉(zhuǎn)子繞組匝間短路時(shí)不同的故障特征，為自動(dòng)電壓控制(AVC)勵(lì)磁調(diào)節(jié)模式下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的分析和診斷奠定基礎(chǔ)。

轉(zhuǎn)子繞組匝間短路； 聯(lián)合仿真； 勵(lì)磁模式； 有限元

0　引　言

大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子處于高速旋轉(zhuǎn)、強(qiáng)電磁場(chǎng)的惡劣環(huán)境下，容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)子故障，特別是轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，廣東省僅2010年就出現(xiàn)了近十起轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障[1]。輕微的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路通常不會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)造成嚴(yán)重影響，但是如果任由其發(fā)展，勵(lì)磁電流將顯著提高，發(fā)電機(jī)輸出無(wú)功功率下降，機(jī)組振幅增大，短路故障還可能進(jìn)一步演化為轉(zhuǎn)子一點(diǎn)、兩點(diǎn)接地故障，觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作，給機(jī)組運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重影響[2-3]。及早檢測(cè)到故障并予以處理，可保證機(jī)組的正常運(yùn)行，使經(jīng)濟(jì)損失降到最低。因此，同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的特征分析和診斷具有非常重要的意義。

汽輪發(fā)電機(jī)作為機(jī)電耦合設(shè)備，轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障在機(jī)組的機(jī)械、電氣和磁場(chǎng)上有所體現(xiàn)。文獻(xiàn)[4]采用解析法分析了汽輪發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)損失情況，認(rèn)為轉(zhuǎn)子繞組匝間短路引起了發(fā)電機(jī)勵(lì)磁磁勢(shì)不對(duì)稱，出現(xiàn)了偶數(shù)次諧波磁勢(shì)，諧波磁勢(shì)與故障程度之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。文獻(xiàn)[5]通過(guò)有限元仿真得到了轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障后的發(fā)電機(jī)空載磁場(chǎng)，建立了不對(duì)稱磁場(chǎng)與短路程度等因素的關(guān)系。根據(jù)麥克斯韋應(yīng)力表達(dá)式，轉(zhuǎn)子繞組匝間短路引發(fā)的發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)不對(duì)稱將進(jìn)一步產(chǎn)生電磁應(yīng)力。文獻(xiàn)[6]分析了轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障時(shí)發(fā)電機(jī)的徑向電磁力，得到徑向不平衡磁拉力與短路位置及短路程度的關(guān)系。文獻(xiàn)[7]采用氣隙磁導(dǎo)法建立了發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)計(jì)算模型，分析了轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障下的不平衡磁拉力和轉(zhuǎn)子振動(dòng)特征。轉(zhuǎn)子繞組匝間短路引起的磁場(chǎng)不對(duì)稱問(wèn)題在電氣量上也有所反映，文獻(xiàn)[8]從轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障引起勵(lì)磁磁勢(shì)損失角度出發(fā)，得到了轉(zhuǎn)子繞組匝間短路引起發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流增大、無(wú)功相對(duì)下降的結(jié)論。文獻(xiàn)[9]分析了發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)之間的相互耦合作用，提出轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障在勵(lì)磁繞組中產(chǎn)生特定頻率的電流諧波。文獻(xiàn)[10]研究了定子繞組并聯(lián)支路環(huán)流與轉(zhuǎn)子繞組匝間短路之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[11]利用多回路理論建立了同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型，在恒定勵(lì)磁電壓模式下計(jì)算了故障前后發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流和定子電流等電氣量，分析了勵(lì)磁電流和定子環(huán)流的諧波特征。文獻(xiàn)[12-13]分別研究了轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障對(duì)發(fā)電機(jī)切向電磁應(yīng)力的影響，認(rèn)為該故障將導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩中疊加特定頻率的諧波分量。文獻(xiàn)[14]分析了轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障引起的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩?fù)p失，在恒勵(lì)磁電流和恒勵(lì)磁磁勢(shì)兩種調(diào)節(jié)模式下分析了發(fā)電機(jī)無(wú)功功率的變化規(guī)律，發(fā)電機(jī)故障時(shí)的實(shí)際無(wú)功位于上述調(diào)節(jié)模式確定的區(qū)間范圍內(nèi)。

本文研究了汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的暫態(tài)過(guò)程，在恒勵(lì)磁電流和恒勵(lì)磁電壓兩種模式下，借助Ansoft和Simplorer軟件建立了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障仿真模型，分析了轉(zhuǎn)子繞組匝間短路時(shí)發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)和相關(guān)電氣量的變化規(guī)律，為分析自動(dòng)電壓控制(Automatic Voltage Control, AVC)勵(lì)磁模式下發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路時(shí)的發(fā)電機(jī)過(guò)渡過(guò)程奠定了研究基礎(chǔ)。

1　發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路有限元模型

發(fā)電機(jī)內(nèi)的電磁場(chǎng)可以用微分形式的麥克斯韋方程組求解，其形式如下：

(1)

(2)

H——磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量；

Jc——從外部施加激勵(lì)源電流密度矢量；

D——電位移矢量；

E——電場(chǎng)強(qiáng)度矢量；

B——磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量；

ρ——體電荷密度;

ε——介電常數(shù)；

σ——電導(dǎo)率；

μ——磁導(dǎo)率。

(3)

對(duì)于瞬態(tài)電磁場(chǎng)，則矢量磁位A滿足如下方程：

(4)

式中：ν——運(yùn)動(dòng)物體的速度；

JS——源電流密度；

HC——永磁體矯頑力。

在進(jìn)行瞬態(tài)分析時(shí)，將模型的靜止部分固定在一個(gè)參考框架(全局坐標(biāo)系)內(nèi)，則模型的靜止部分速度為零；將模型的運(yùn)動(dòng)部分固定在自身坐標(biāo)系(相對(duì)坐標(biāo)系)內(nèi)，則可以設(shè)置模型運(yùn)動(dòng)部分的速度。通過(guò)坐標(biāo)系和邊界的設(shè)置就可完成模型的靜止和運(yùn)動(dòng)兩部分的分離，使偏時(shí)間導(dǎo)數(shù)變成全時(shí)間導(dǎo)數(shù)。運(yùn)動(dòng)方程為

(5)

基于上述基本原理，對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的瞬態(tài)特性進(jìn)行分析。本文使用Ansoft Maxwell軟件建立了QFSN300-2型汽輪發(fā)電機(jī)(參數(shù)見(jiàn)表1)的有限元模型，如圖1所示。圖1中，轉(zhuǎn)子槽從上到下依次編號(hào)1～16號(hào)。計(jì)算過(guò)程中不考慮發(fā)電機(jī)的端部效應(yīng)、渦流和鐵磁材料的各向異性等因素的影響。

圖1　QFSN300-2型汽輪發(fā)電機(jī)有限元模型

參數(shù)名稱參數(shù)值額定線電壓/kV20額定線電流/kA10.189額定功率/mW300額定功率因數(shù)0.85額定勵(lì)磁電流/A2642定子槽數(shù)54轉(zhuǎn)子槽數(shù)32定子內(nèi)徑/mm1250定子外徑/mm2540轉(zhuǎn)子外徑/mm1100氣隙長(zhǎng)度/mm75鐵心長(zhǎng)度/mm5150極對(duì)數(shù)1

發(fā)電機(jī)的激勵(lì)是由外部電路提供的，故有限元模型激勵(lì)要設(shè)置為“External”，與Simplorer軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真。將圖1的二維有限元模型導(dǎo)入到Simplorer中，根據(jù)定、轉(zhuǎn)子的繞組連接方式編輯外電路模型，為轉(zhuǎn)子繞組提供直流激勵(lì)，如圖2所示。

圖2　QFSN300-2型汽輪發(fā)電機(jī)聯(lián)合仿真模型

圖2中，在某一時(shí)刻短接一定匝數(shù)的轉(zhuǎn)子繞組即可模擬不同程度轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障。以恒定電流源和恒定電壓源為勵(lì)磁激勵(lì)，分析不同勵(lì)磁模式下轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的暫態(tài)特征。

2　仿真結(jié)果與分析

2.1短路對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響

以發(fā)電機(jī)單機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行工況為例，在恒勵(lì)磁電流和恒勵(lì)磁電壓模式下，設(shè)置轉(zhuǎn)子4號(hào)槽發(fā)生5匝短路，對(duì)比故障前后的發(fā)電機(jī)氣隙磁密分布，如圖3、圖4所示。

圖3　恒勵(lì)磁電流模式下氣隙磁密圖

圖4　恒勵(lì)磁電壓模式下氣隙磁密圖

轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障后，勵(lì)磁繞組有效匝數(shù)減少。在恒勵(lì)磁電流模式下，有效安匝數(shù)與轉(zhuǎn)子繞組有效匝數(shù)正相關(guān)，磁場(chǎng)有明顯的損失，從圖3可知故障極氣隙磁密較正常值有明顯下降。在恒勵(lì)磁電壓模式下，短路后勵(lì)磁繞組直流電阻下降，勵(lì)磁電流有所增加，在一定程度上彌補(bǔ)了匝間短路所造成的磁場(chǎng)損失，因此，圖4中兩條曲線十分接近。將正常和故障狀態(tài)的氣隙磁密相減，得到氣隙磁密的差值曲線，如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，在恒勵(lì)磁電流模式下轉(zhuǎn)子N、S極的磁場(chǎng)相對(duì)于正常情況具有顯著差異，而恒勵(lì)磁電壓模式下的差異則相對(duì)較小。

圖5　不同勵(lì)磁模式氣隙磁密差值圖

圖6和圖7是發(fā)電機(jī)額定負(fù)載和轉(zhuǎn)子短路5匝時(shí)氣隙磁密的諧波含量。

圖6　額定負(fù)載時(shí)氣隙磁密諧波含量

由圖6、圖7可知，發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障時(shí)，氣隙磁密中出現(xiàn)偶次諧波，其中，2、4次諧波最明顯。由圖7還可以看到，相同短路程度下，恒勵(lì)磁電壓模式下的2、4次諧波幅值更大，氣隙磁密畸變率更大，說(shuō)明轉(zhuǎn)子N、S極磁場(chǎng)的不對(duì)稱程度加重。

2.2短路對(duì)定子側(cè)電氣量的影響

表2是發(fā)電機(jī)不同勵(lì)磁模式下，轉(zhuǎn)子N極4號(hào)槽轉(zhuǎn)子繞組匝間短路時(shí)定子側(cè)各電氣量的變化情況。

圖7　不同勵(lì)磁模式下短路5匝時(shí)氣隙磁密諧波含量

勵(lì)磁模式運(yùn)行工況勵(lì)磁電流/A定子端電壓/kV定子電流/kA定子環(huán)流畸變率/%恒定勵(lì)磁電流額定負(fù)載短路5匝264219.969.64420.0819.749.53043.24恒定勵(lì)磁電壓額定負(fù)載264519.989.80330.08短路5匝2731.619.9529.78424.15

由表2可知，轉(zhuǎn)子4號(hào)槽發(fā)生5匝短路時(shí)，在恒勵(lì)磁電流模式下，勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)下降導(dǎo)致了氣隙磁動(dòng)勢(shì)減小，定子側(cè)端電壓和線電流也相應(yīng)減小，分別減小了1.1%、1.18%。在恒勵(lì)磁電壓模式下，定子端電壓和定子電流僅減小了0.14%和0.19%，遠(yuǎn)小于恒勵(lì)磁電流模式下的減小量，這主要是勵(lì)磁電流增大彌補(bǔ)了部分勵(lì)磁磁勢(shì)損失。

從表2還可知，相同程度的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路，恒勵(lì)磁電壓模式下的定子支路環(huán)流畸變率更大。轉(zhuǎn)子有效繞組流過(guò)的勵(lì)磁電流增加，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)氣隙磁密畸變程度更加嚴(yán)重，定子支路繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不對(duì)稱程度加深。

發(fā)電機(jī)額定負(fù)載和轉(zhuǎn)子繞組短路5匝時(shí)定子繞組并聯(lián)支路環(huán)流中的諧波含量分別如圖8、圖9所示。

圖8　額定負(fù)載時(shí)定子環(huán)流諧波含量

圖9　不同勵(lì)磁模式下短路5匝時(shí)定子環(huán)流諧波含量

由圖8、圖9可知,發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障時(shí)，定子并聯(lián)支路環(huán)流的偶次諧波幅值大幅增加，其中，2、4次諧波幅值最明顯。在相同的短路程度下，恒勵(lì)磁電壓模式下的偶次諧波幅值更大，其原因是恒勵(lì)磁電壓模式下的勵(lì)磁磁勢(shì)更大，轉(zhuǎn)子N、S極磁場(chǎng)的不對(duì)稱程度更為嚴(yán)重，故2、4等偶次諧波環(huán)流有明顯增大。偶次諧波幅值在一定程度上反映了匝間短路時(shí)氣隙磁密的不對(duì)稱程度。

2.3短路對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響

兩種勵(lì)磁模式下，轉(zhuǎn)子4號(hào)槽發(fā)生5匝短路時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的暫態(tài)變化過(guò)程分別如圖10、圖11所示。

對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行諧波分析，結(jié)果如表3所示。

圖10　恒勵(lì)磁電流下，電磁轉(zhuǎn)矩變化曲線

圖11　恒勵(lì)磁電壓下，電磁轉(zhuǎn)矩變化曲線

勵(lì)磁模式運(yùn)行工況電磁轉(zhuǎn)矩均值部分/(kN·m)電磁轉(zhuǎn)矩諧波幅值所占百分比/%恒定勵(lì)磁電流額定負(fù)載短路5匝943.7903.10.390.46恒定勵(lì)磁電壓額定負(fù)載短路5匝943.7941.50.390.48

由表3可以看到，在恒勵(lì)磁電流模式下，發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路瞬間，電磁轉(zhuǎn)矩下降更為明顯，且電磁轉(zhuǎn)矩的諧波含量有一定程度上升。經(jīng)傅里葉分析發(fā)現(xiàn)，電磁轉(zhuǎn)矩中的主要諧波成分是6、8次諧波，如圖12、圖13所示。

圖12　額定負(fù)載時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩諧波含量

由圖12、圖13可知： 發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩中的6、8次諧波幅值增大最明顯。還可以看到： 在相同的短路程度下，恒勵(lì)磁電壓模式下的6、8次諧波幅值更大。

圖13　不同勵(lì)磁模式下短路5匝時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩諧波含量

3　結(jié)　語(yǔ)

本文以QFSN300-2型汽輪發(fā)電機(jī)作為研究對(duì)象，通過(guò)多軟件聯(lián)合仿真，得到發(fā)電機(jī)在恒勵(lì)磁電流和恒勵(lì)磁電壓兩種調(diào)節(jié)模式下發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路時(shí)基本電磁量的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1) 恒勵(lì)磁電壓模式下，勵(lì)磁電流的增大一定程度上彌補(bǔ)了匝間短路槽所造成的磁場(chǎng)能量損失，導(dǎo)致氣隙磁密變化減小，使定子側(cè)電壓、電流和電磁轉(zhuǎn)矩的均值部分受轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的影響不大。

(2) 恒勵(lì)磁電壓模式下，發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)畸變程度加深，定子支路環(huán)流的畸變率增加，偶次諧波幅值增大，電磁轉(zhuǎn)矩的6、8次諧波幅值增加。

(3) 發(fā)電機(jī)的常規(guī)勵(lì)磁模式是采用AVC模式，機(jī)組經(jīng)過(guò)連接線并入大電網(wǎng)。本文以恒勵(lì)磁電流和恒勵(lì)磁電壓兩種典型勵(lì)磁方式為例，分析了轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的基本特征，為基于AVC且并入電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式下的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障分析奠定了研究基礎(chǔ)。

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Characteristic Analysis of Rotor Winding Inter-Turn Short Circuit Fault for Turbo Generator Rotor Winding under Different Excitation Modes

WUYucai,YUANJunfeng

(College of Electrical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Rotor inter-turn short circuit was one of the common faults of turbo generator. The early and accurate detection of the inter- turn short circuit was very important for the safe and reliable operation of the power generation system. Using Ansoft and Simplorer software, simulation model of rotor winding inter-turn short circuit in synchronous generator was established. The variation law of each characteristic of the generator was obtained when the rotor winding inter-turn short circuit,under the condition of constant excitation current and constant excitation voltage. By comparison, the different fault characteristics of rotor winding inter-turn short circuit under different excitation modes were analyzed, which laid the foundation for the analysis and diagnosis of rotor winding inter-turn short circuit fault in AVC excitation regulation mode.

rotor windings inter-turn short circuit; coupled simulation; excitation mode; finite element model

武玉才(1982—)，男，講師，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榇笮推啺l(fā)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)等方面。

袁浚峰(1989—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇笮推啺l(fā)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)等方面。

TM 307+.1

A

1673-6540(2016)09- 0086- 06

2016-01-14