張春莉

(1． 水力發(fā)電設備國家重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150040； 2． 哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

大型水輪發(fā)電機生產運行中定子線棒匝間短路故障時有發(fā)生。由于對機組正常運行影響不大且故障特征不明顯，因此經常被忽略，但長期運行匝間短路故障會導致一點甚至兩點接地，發(fā)電機長期運行在故障狀態(tài)會對其壽命產生影響，導致惡性事故的發(fā)生[1]。

隨著電網規(guī)模不斷擴大，發(fā)電機容量也越來越大，此時，當電機在較高參數工況下運行時，如發(fā)生定子繞組匝間短路，將會產生很大的短路電流，導致股線可能過熱，嚴重時會燒毀繞組和鐵心，后果十分嚴重。為此，有必要對大型水輪發(fā)電機定子線棒匝間短路故障引起的股線損耗進行研究。本文以官地水輪發(fā)電機為例，對定子線棒發(fā)生不同匝間短路情況的股線損耗進行了詳細地計算與分析。

1 大型水輪發(fā)電機定子線棒換位方式計算

大型水輪發(fā)電機定子線棒換位一般有三種方式：一種是Robel360°換位；一種是不完全換位；一種是空換位。當鐵心長度無法滿足Robel360°換位要求時，采用不完全換位。當鐵心長度滿足360°換位要求時，可采用空換位方式。后兩種方式可以很大程度減小環(huán)流損耗[2]。

1.1 計算方法

在水輪發(fā)電機定子線棒換位計算中，首先要準確地算出端部線棒附近的磁場及它們在各股線回路中感應的電勢，然后求解整根線棒中各股線形成的回路方程，通過調整換位方案，使線棒的環(huán)流損耗最小，從而確定最佳換位方案。

1.1.1 端部磁場的計算

為了較準確地計算定子線棒附近的磁場，采用比奧—沙伐定律：

(1)

式中：idl為電流元向量；μ0為空氣的磁導率；r為電流元到場點的距離向量。

1.1.2 線棒股線環(huán)流計算

在端部橫向磁場作用下，上層線棒股線方程如下：

(2)

對徑向磁場，也可列類似的方程來進行求解。

1.1.3 平均環(huán)流系數與最大環(huán)流系數

為了便于分析線棒股線環(huán)流的影響，引入最大環(huán)流系數與平均環(huán)流系數，定義如下：

(3)

(4)

式中：Ijmax為最大股線電流，I為平均股線電流。

平均環(huán)流系數標志著由于存在環(huán)流使線棒總銅耗增大的倍數，最大環(huán)流系數標志著最大股線電流的那根股線銅耗所增大的倍數。最佳空換位的長度選取原則是使這兩個損耗系數盡可能小。

1.2 官地水輪發(fā)電機定子線棒最佳換位方式

通過以上方法計算得到官地水輪發(fā)電機不同空換位長度對應的平均環(huán)流系數和最大環(huán)流系數，其分布如圖1所示。定子線棒最佳換位方式為空換位，空換位長度為300 mm，換位節(jié)距為42.42 mm，最大環(huán)流系數為1.95，最小環(huán)流系數為1.07。

佟老板又笑了笑說，這是份復印件。原件我已存檔。你要是不信的話，可以上法院起訴，也可以找專家進行指紋比對，看是不是你的指紋。

圖1 官地水輪發(fā)電機平均環(huán)流系數和最大環(huán)流系數

為了后面與定子匝間短路分析進行對比，對無匝間短路正常換位線棒時最佳空換位下每根股線損耗進行了計算， 結果如圖2所示。Robel360°換位線

圖2 每根股線損耗(VOL=300 mm)

棒每根股線損耗分布如圖3所示，一根線棒總損耗比最佳換位方式增加約758.46 kW。

圖3 Robel360°線棒每根股線損耗

2 水輪發(fā)電機定子線棒匝間短路分析

以官地水輪發(fā)電機為例，定子線棒采用300 mm空換位方式。對不同匝間短路進行分析，圖4給出了一根線棒某一截面并聯(lián)股線分布情況。定子線棒匝間短路情況非常復雜，匝間短路狀態(tài)有多種多樣，無法一一列舉，為了分析簡明起見，本文對發(fā)生一處多匝發(fā)生短路及多處多匝發(fā)生短路情況進行了計算與分析。

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圖4 股線分布

2.1 一處多匝短路

本文對官地水輪發(fā)電機定子線棒一處發(fā)生1匝和3匝短路情況股線損耗進行了計算。

2.1.1 一處1匝短路

一處1匝短路有多種兩根股線短路的情況，由于篇幅有限，只給出10種1匝短路情況，其股線損耗計算結果見表1。

由表1結果可見，發(fā)生一處1匝短路時，最大股線損耗發(fā)生在股線1、2短路情況；一個線棒最大總損耗發(fā)生在股線34、35短路情況；所有一處1匝短路最大股線損耗對應股線大致都位于槽頂、槽底或短路匝。最大股線損耗偏大兩處每根股線損耗分布如圖5所示。

2.1.2 一處3匝短路

本文只給出了10種3匝短路情況，并對其股線損耗進行了計算，結果見表2。

表1 一處1匝短路股線損耗

a) 股線1、2短

b) 股線34、35短

短路股線號最大股線損耗/W最大股線損耗對應股線號一個線棒總損耗/W1～4172.87短路匝1 239.632～560.42短路匝1 141.277～1046.28短路匝1 168.7712～1546.22短路匝1 126.3722～2558.04短路匝1 151.0432～3599.76短路匝1 206.0734～37146.81短路匝1 243.3536～39131.87短路匝1 233.6338～40118.18短路匝1 222.8543～4652.58短路匝1 141.56

由表3結果可見，發(fā)生一處3匝短路，最大股線損耗超過Robel360°換位的最大股線損耗約67.5%，發(fā)生在股線1～4短路情況；一個線棒最大總損耗發(fā)生在股線34～37短路情況；所有最大股線損耗對應股線都位于短路匝。最大股線損耗偏大兩處股線損耗分布如圖6所示。

2.2 多處多匝短路

對于定子線棒多處多匝短路情況，本文抽取了其中比較典型的10種狀態(tài)進行介紹，股線損耗計算結果見表3。

股線1～4短

股線34～37短

序號短路股線號最大股線損耗/W最大股線損耗對應股線號一個線棒總損耗/W144～45、64～65、61～6241.14341 189.2227～9、20～21、43～44、52～5348.8271 223.4038～9、14～15、38～39、49～50、56～5749.07341 331.57410～13、23～2553.53101 182.1854～6、12～13、17～18、50～5164.2241 266.0861～2、34～3573.5911 213.95734～35、64～65、61～6278.94341 215.7181～2、7～9、16～1883.2811 233.09914～18、54～5691.60141 258.991034～35、38～40、61～63101.17381 317.68

由發(fā)生多處多匝短路不同狀態(tài)計算結果可見，最大股線損耗為100 W左右及以上的情況基本都發(fā)生在股線1附近和股線34附近發(fā)生短路時，由此可見在槽底或槽底發(fā)生匝間短路時，此時短路故障基本比較嚴重。

3 結論

分析大型水輪發(fā)電機定子線棒匝間短路，可以得到如下結論：

(1) 線棒股線匝間短路位置對股線損耗影響很大；

(2) 當發(fā)生一處股線間短路(1匝短路)時，最大股線損耗對應股線基本都位于槽頂或槽底或短路匝；

(3) 當發(fā)生一處2匝及以上短路時，最大股線損耗對應股線都位于短路匝；

(4) 短路匝數越多，相鄰股線損耗差值越大，因此其溫差越大；

(5) 當發(fā)生一處3～5匝短路時，有部分短路位置其最大股線損耗超過了Robel360°最大股線損耗，特別在槽底或槽底對應股線位置。隨著短路匝數增加，最大股線高過Robel360°最大股線損耗對應短路狀態(tài)增加，高于5匝短路時，最大股線損耗遠超過了Robel360°最大股線損耗；

(6) 在槽頂或槽底對應股線位置發(fā)生匝間短路，此時短路故障通常比較嚴重；

(7) 對不同短路，最大股線損耗對應短路狀態(tài)的線棒總損耗不一定最大，這與整個線棒此時所處磁場變化有關，而股線電勢差引起各股線電流分布變化有的會增大、有的會減小。