辛 鵬，劉亞丹

(吉林化工學院 信息與控制工程學院，吉林 吉林 132022)

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟的發(fā)展，電力需求與日俱增，發(fā)電機數(shù)量及單機容量亦隨之增大.機組的安全穩(wěn)定運行問題日益突出.一旦某種原因造成發(fā)電機出口單相短路故障，若不及時切除，將有可能造成發(fā)電設(shè)備的損壞，嚴重時危及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[1-4].因此，有必要對發(fā)電機單相短路時機組電磁特性進行研究.

目前，國內(nèi)外學者對發(fā)電機短路故障做了大量研究.文獻[5]研究了永磁電機在單相、兩相對地、三相及單相匝間短路故障下永磁體的去磁特性.文獻[6]計算了發(fā)電機三相短路時轉(zhuǎn)子動態(tài)電磁力特征.文獻[7]對發(fā)電機機并網(wǎng)運行端短路時定子電流、電磁轉(zhuǎn)矩等電氣量的變化規(guī)律進行了計算.文獻[8]對雙饋感應發(fā)電機機端電壓跌落后的電磁暫態(tài)變化進行了分析，建立了機端電壓及勵磁電流的解析模型.文獻[9]采用多回路法對發(fā)電機啟動過程中，內(nèi)部故障對發(fā)電機主要參數(shù)的影響進行了研究.

本文以一臺1407MVA大型核電半速汽輪發(fā)電機為研究對象，對發(fā)電機單機空載運行時出口發(fā)生單相短路進行了研究，對比了故障前后發(fā)電機磁場分布變化以及氣隙磁密的變化特征.

1 發(fā)電機有限元模型

假設(shè)：鐵芯材料磁導率各向同性，電機內(nèi)的磁場為似穩(wěn)場.忽略位移電流及定子鐵芯渦流損耗，則電機內(nèi)二維瞬態(tài)場的邊值問題為：

(1)

式中：μ為磁導率；J為源電流密度；σ為電導率；A為矢量磁位；為定子外圓與轉(zhuǎn)子內(nèi)圓邊界.

2 仿真建模及分析

本文以一臺1407MVA核電半速汽輪發(fā)電機單機空載為研究對象，建立了場-路耦合仿真模型.發(fā)電機主要參數(shù)如表1所示：核電機組剖分后有限元模型如圖1所示：

表1 核電半速汽輪發(fā)電機主要參數(shù)

圖1 核電機組截面圖

2.1 發(fā)電機正常運行時氣隙磁場

發(fā)電機空載穩(wěn)定運行時，磁密云圖及氣隙磁密如圖2所示.

圖2 正?？蛰d時磁密云圖

2.2 發(fā)電機出口單相短路時氣隙磁場

在發(fā)電機穩(wěn)定運行到1.5 s時，通過外電路設(shè)置，實現(xiàn)發(fā)電機A相對地短路，故障2.5 s后電機磁密云圖分布如圖3所示.

圖3 單相短路時磁密云圖

從圖3中可以看出，雖然發(fā)電機出口單相短路故障相對于電力系統(tǒng)而言屬于非對稱性故障，但對發(fā)電機而言，從繞組分布出發(fā)，該故障可認為是對稱性故障，因此，故障后發(fā)電機內(nèi)部磁場分布仍對稱.

故障前后氣隙磁密分布及氣隙磁密諧波分解如圖4、圖5所示.

氣隙周長/m

f/Hz

通過圖4可以看出，受故障后短路電流的影響，故障后氣隙磁密波形明顯發(fā)生畸變.通過圖5可以看出，對比正常運行時氣隙磁密可知，故障后氣隙磁密基波分量明顯減小，而奇數(shù)次諧波分量增大.

3 結(jié) 論

本文采用有限元方法，對發(fā)電機出口發(fā)生單相短路故障時機組的磁場特性進行了仿真研究,研究結(jié)果表明：發(fā)電機單相短路時，發(fā)電機磁場分布仍具有對稱性；受短路電流影響，故障后氣隙磁密明顯畸變，通過對故障前后氣隙磁密分解，指出故障后氣隙磁密基波分量明顯減小，而奇數(shù)次諧波分量增大.