桂 林，陳 俊，姜樹德，王祥珩

（1.清華大學(xué)電機(jī)系電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市 100084；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇省南京市 211102；3.中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京市 100024）

0 引言

隨著烏東德（12×850MW）和白鶴灘（16×1000MW）兩座巨型水電站的陸續(xù)投產(chǎn)，國(guó)內(nèi)大水電的建設(shè)將告一段落，抽水蓄能電站的建設(shè)已進(jìn)入高潮，國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司運(yùn)行和基建的大型抽蓄電站已達(dá)50座，開展可行性研究和預(yù)可行性研究的抽水蓄能電站裝機(jī)容量近3000萬(wàn)kW。

交流勵(lì)磁發(fā)電電動(dòng)機(jī)通過改變轉(zhuǎn)子電流的頻率來(lái)調(diào)節(jié)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，水泵工況下可以細(xì)調(diào)吸收的有功功率/發(fā)電工況下可以運(yùn)行在較高的效率區(qū)，已在日本和歐洲得到廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)也在積極建設(shè)可調(diào)速抽水蓄能電站，豐寧抽水蓄能二期工程準(zhǔn)備投產(chǎn)兩臺(tái)300MW可調(diào)速交流勵(lì)磁發(fā)電電動(dòng)機(jī)[1-4]。有必要對(duì)豐寧抽水蓄能二期交流勵(lì)磁發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子/轉(zhuǎn)子繞組的連接方式、內(nèi)部故障分析計(jì)算方法以及主保護(hù)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)進(jìn)行歸納總結(jié)，為后續(xù)泰安抽水蓄能二期/樺甸抽水蓄能變速機(jī)組的設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 豐寧抽水蓄能二期變速機(jī)組的基本參數(shù)

豐寧抽水蓄能電站位于河北省豐寧滿族自治縣境內(nèi)，南距北京市180km，東南距承德市170km，規(guī)劃裝機(jī)容量360萬(wàn)kW。

豐寧抽水蓄能一期裝機(jī)容量180萬(wàn)kW（6×300MW），由哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司（HEC）提供6臺(tái)定速發(fā)電電動(dòng)機(jī)；豐寧抽水蓄能二期裝機(jī)容量180萬(wàn)kW（6×300MW），其中4×300MW定速機(jī)組由東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司（DEC）提供，2×300MW變速機(jī)組由安德里茨（中國(guó)）有限公司（Andritz）提供。豐寧抽水蓄能電站為兩期開發(fā)/同時(shí)開工的國(guó)內(nèi)最大裝機(jī)容量的抽水蓄能電站。

豐寧抽水蓄能二期Andritz變速機(jī)組的基本參數(shù)如表1所示：

表1 Andritz變速機(jī)組基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of the Andritz variable-speed unit

續(xù)表

為確保豐寧抽水蓄能二期Andritz變速機(jī)組的安全運(yùn)行，必須正確決定其主保護(hù)配置方案。為了防止方案選擇工作中的盲目性，一定要了解Andritz變速機(jī)組定子和轉(zhuǎn)子繞組實(shí)際短路的條件和特征，進(jìn)而對(duì)比分析各種主保護(hù)方案的靈敏度，為方案的取舍做出科學(xué)抉擇。

2 交流勵(lì)磁發(fā)電電動(dòng)機(jī)多回路數(shù)學(xué)模型的建立與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

交流電機(jī)多回路理論是分析電機(jī)繞組內(nèi)部故障的重要方法，已對(duì)國(guó)內(nèi)外130多座大中型水電站和抽水蓄能電站的發(fā)電機(jī)組（轉(zhuǎn)子繞組直流勵(lì)磁）進(jìn)行了定子繞組內(nèi)部故障分析和主保護(hù)方案定量化設(shè)計(jì)，但用于交流勵(lì)磁發(fā)電電動(dòng)機(jī)內(nèi)部故障分析還屬首次，有必要簡(jiǎn)要介紹其建模及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程[5-8]。

基本假定同專著《交流電機(jī)及其系統(tǒng)的分析》：忽略鐵心的磁滯作用；定、轉(zhuǎn)子鐵心磁阻歸算到氣隙。列寫支路方程時(shí)的正方向選擇：定子支路和轉(zhuǎn)子支路的電壓電流關(guān)系都采用電動(dòng)機(jī)慣例，且定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)都規(guī)定正值電流產(chǎn)生正值磁鏈。

2.1 定子和轉(zhuǎn)子支路的電壓方程

定子任一支路Q的電壓方程為：

式中：uQ、ΨQ、rQ、iQ——定子Q支路的電壓、磁鏈、電阻和電流；

p ——微分算子d/dt。

定子支路Q的磁鏈方程為：

式中：MQSn——定子Q支路和定子第n支路的互感系數(shù)；

N——定子總支路數(shù)；

iSn——定子第n支路電流；

MQRm——定子Q支路和轉(zhuǎn)子第m支路的互感系數(shù)；

M——轉(zhuǎn)子總支路數(shù)；

iRm——轉(zhuǎn)子第m支路電流。

將磁鏈方程代入電壓方程：

轉(zhuǎn)子任一支路T的電壓方程為：

轉(zhuǎn)子支路T的磁鏈方程為：

式中：MTSn——轉(zhuǎn)子T支路和定子第n支路的互感系數(shù)；

MTRm——轉(zhuǎn)子T支路和轉(zhuǎn)子第m支路的互感系數(shù)。

將磁鏈方程代入電壓方程：

轉(zhuǎn)子側(cè)由外部電源勵(lì)磁的方程為：

式中：uU、uV、uW——轉(zhuǎn)子三相電壓；

uu、uv、uw——轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁電源輸出的各相電壓；

rF、LF——?jiǎng)?lì)磁電源出線濾波器的電阻、電感。

定子側(cè)帶三相對(duì)稱電阻負(fù)載的方程為：

式中：uA、uB、uC——定子三相電壓；

RL——負(fù)載電阻。

將定、轉(zhuǎn)子所有支路方程和外部方程寫成矩陣形式：

式中：[U]——支路電壓列向量；

[L]——各支路的自感和互感矩陣；

[I]——各支路的電流；

[R]——各支路電阻；

[B′]——定子和轉(zhuǎn)子外加電壓的列向量；

p——微分算子。其中電感矩陣為：

因?yàn)槎?、轉(zhuǎn)子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，電感矩陣中的定、轉(zhuǎn)子互感是和轉(zhuǎn)子位置角有關(guān)的時(shí)變量，所以上述定、轉(zhuǎn)子所有支路的方程是帶有時(shí)變系數(shù)的微分方程組。

多回路理論從單個(gè)線圈出發(fā)計(jì)算電感矩陣，具體計(jì)算方法參見專著《交流電機(jī)及其系統(tǒng)的分析》。

2.2 正常運(yùn)行和內(nèi)部故障時(shí)回路選擇和狀態(tài)方程的形成

正常運(yùn)行和內(nèi)部短路時(shí)電壓方程式中的定子支路數(shù)N不相同，發(fā)生內(nèi)部短路時(shí)短路點(diǎn)兩側(cè)電流不相等，需要從短路點(diǎn)把故障支路分成兩個(gè)支路，設(shè)定子每相并聯(lián)支路數(shù)為a，相數(shù)為m，則列寫方程時(shí)的定子支路數(shù)N為：

多回路理論以回路電流為狀態(tài)變量，需把上述支路電壓方程轉(zhuǎn)換為回路電壓方程進(jìn)行求解，回路選取方法和狀態(tài)方程形成同專著《交流電機(jī)及其系統(tǒng)的分析》，基本方法是根據(jù)不同短路類型引入相應(yīng)的轉(zhuǎn)換矩陣來(lái)表征支路電壓和回路電壓的關(guān)系。

無(wú)論正常情況還是故障狀況，多回路模型都可得到以回路電流為狀態(tài)變量的時(shí)變系數(shù)微分方程組，運(yùn)用龍格庫(kù)塔法求解微分方程組。建立上述多回路模型后首先求解交流勵(lì)磁電機(jī)的定轉(zhuǎn)子電感參數(shù)，然后進(jìn)行正常運(yùn)行和定子繞組內(nèi)部故障時(shí)的仿真。

2.3 定子繞組內(nèi)部故障時(shí)的仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比

實(shí)驗(yàn)電機(jī)為湘潭電機(jī)廠制造的交流勵(lì)磁樣機(jī)，其基本參數(shù)如表2所示。

表2 交流勵(lì)磁樣機(jī)基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of the AC excitation prototype

為進(jìn)行繞組內(nèi)部短路實(shí)驗(yàn)，樣機(jī)的定子繞組引出了多個(gè)抽頭：實(shí)驗(yàn)樣機(jī)定子繞組的中性點(diǎn)和9個(gè)分支的機(jī)端出線端都引到接線板上，故可以測(cè)量所有定子分支的電流和電壓，轉(zhuǎn)子繞組U、V、W三相未引出中性點(diǎn)，可以測(cè)量線電壓和轉(zhuǎn)子3個(gè)分支的電流（見圖1）。

圖1 交流勵(lì)磁樣機(jī)定子/轉(zhuǎn)子繞組抽頭Figure 1 Stator and rotor winding taps of the AC excitation prototype

實(shí)驗(yàn)線路如圖2所示：

圖2 實(shí)驗(yàn)線路圖Figure 2 Experimental wring diagram

實(shí)驗(yàn)中由西門子6RA80直流調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，再拖動(dòng)交流勵(lì)磁樣機(jī)，同時(shí)引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)以控制交流勵(lì)磁樣機(jī)故障前后的轉(zhuǎn)速保持不變。

交流勵(lì)磁樣機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組由自耦調(diào)壓器施加工頻電壓（暫不考慮勵(lì)磁電源諧波的影響）或由變頻器供電，定子側(cè)空載或帶三相對(duì)稱的電阻負(fù)載。

在12kW交流勵(lì)磁樣機(jī)上進(jìn)行了單機(jī)空載和帶電阻負(fù)載工況下不同類型的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)部故障實(shí)驗(yàn)，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果中各電氣量的穩(wěn)態(tài)幅值和相位都吻合較好，驗(yàn)證了交流勵(lì)磁發(fā)電電動(dòng)機(jī)多回路數(shù)學(xué)模型的正確性，本文限于篇幅不再贅述[16]。

3 豐寧抽水蓄能二期Andritz變速機(jī)組定子繞組內(nèi)部故障類型和數(shù)量

根據(jù)對(duì)Andritz提供的變速機(jī)組定子繞組展開圖（428.6r/min/a=4）的分析，其定子繞組實(shí)際可能發(fā)生的內(nèi)部短路如表3和表4所示[9-11]。

表3 Andritz變速機(jī)組252種同槽故障Table 3 252 instances of slot faults of Andritz variable-speed unit

表4 Andritz變速機(jī)組3318種端部故障Table 4 3318 instances of end faults of Andritz variable-speed unit

（1）定子槽內(nèi)上、下層線棒間短路共252種（等于定子槽數(shù)）。

通過對(duì)同槽故障的分析，發(fā)現(xiàn)：同相同分支匝間短路96種，占38.1%，其中最小短路匝數(shù)為2匝（對(duì)應(yīng)的短路匝比為9.5%）、有12種，最大短路匝數(shù)為8匝（對(duì)應(yīng)的短路匝比為38.1%）、有24種；同相不同分支匝間短路30種，占11.9%；相間短路126種，占50%。

（2）定子繞組端部交叉處短路共3318種。

通過對(duì)端部交叉故障（簡(jiǎn)稱為端部故障）的分析，發(fā)現(xiàn)：同相同分支匝間短路462種，占13.9%，其中最小短路匝數(shù)為1匝（對(duì)應(yīng)的短路匝比為4.8%）、有156種，最大短路匝數(shù)為7匝（對(duì)應(yīng)的短路匝比為33.3%）、有24種；同相不同分支匝間短路84種，占2.5%；相間短路2772種，占83.5%。

通過進(jìn)一步的分析，發(fā)現(xiàn)如圖3所示豐寧抽水蓄能二期Andritz變速機(jī)組發(fā)生在相近電位的同相不同分支匝間短路（兩短路點(diǎn)位置相差1～2匝）均發(fā)生在每相的1、4分支（或2、3分支）間，如圖4所示。

圖3 發(fā)生在相近電位的同相不同分支匝間短路示意圖Figure 3 Short circuit between different branches in the same phase with similar potential

圖4 Andritz變速機(jī)組發(fā)生在相近電位的同相不同分支匝間短路分布圖Figure 4 Distribution diagram of short circuit between different branches in the same phase with similar potential of Andriz variable-speed unit

注意上述典型故障的特征，將大大減少偶數(shù)多分支大中型水輪發(fā)電機(jī)和發(fā)電電動(dòng)機(jī)主保護(hù)配置方案設(shè)計(jì)計(jì)算的工作量[12-14]。

4 Andritz變速機(jī)組定子繞組內(nèi)部故障的仿真計(jì)算及主保護(hù)設(shè)計(jì)

運(yùn)用得到動(dòng)模電機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的交流勵(lì)磁發(fā)電電動(dòng)機(jī)多回路數(shù)學(xué)模型，對(duì)Andritz變速機(jī)組并網(wǎng)空載運(yùn)行工況下的定子繞組內(nèi)部故障進(jìn)行仿真分析，求出每一支路電流的大小和相位（包括兩中性點(diǎn)間的零序電流），由此可得到各種短路狀態(tài)下進(jìn)入各種主保護(hù)——零序電流型橫差、完全或不完全裂相橫差、完全或不完全縱差保護(hù)的動(dòng)作電流和制動(dòng)電流，在已整定的動(dòng)作特性條件下，最終獲得相應(yīng)主保護(hù)的靈敏系數(shù)Ksen。

以Andritz變速機(jī)組定子繞組一則同相不同分支匝間短路為例進(jìn)行仿真分析：轉(zhuǎn)子頻率為8Hz，并網(wǎng)空載工況下A1分支第16匝對(duì)A2分支第3匝發(fā)生短路，故障時(shí)刻為0.375s。

進(jìn)一步給出并網(wǎng)空載下A1（16）對(duì)A2（03）短路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)各電氣量的穩(wěn)態(tài)值：注意到短路分支電流IK1和IK2的相位近于反向（見圖5、表5）。

表5 轉(zhuǎn)子頻率8Hz，并網(wǎng)空載下A1（16）對(duì) A2（03）短路時(shí)的穩(wěn)態(tài)值Table 5 Rotor frequency is 8Hz，steady state values when A1（16） is short circuited to A2（03）

圖5 轉(zhuǎn)子8Hz，并網(wǎng)空載下A1（16）對(duì)A2（03）短路時(shí)的定子故障分支的仿真波形Figure 5 Rotor frequency is 8Hz，simulation waveforms under short circuit between A1（16） and A2（03） under no-load condition of grid connection

圖6 一則同相不同分支匝間短路（兩個(gè)短路分支的短路點(diǎn)相差較遠(yuǎn)）Figure 6 A short circuit between different branches in the same phase （the short circuit points of the two branches are far apart）

將兩個(gè)故障分支分到不同支路組中的裂相橫差保護(hù)的靈敏系數(shù)則更高（譬如K10_13-24的靈敏系數(shù)為4.3），因?yàn)榇藭r(shí)數(shù)值較大的短路回路電流被引入裂相橫差保護(hù)的差動(dòng)回路中。

進(jìn)一步畫出Andritz變速機(jī)組定子繞組A相4個(gè)分支的分支電勢(shì)圖（如圖7所示）：

圖7 Andritz變速機(jī)組定子繞組A相4個(gè)分支的分支電勢(shì)Figure 7 Branch potential of four branches of phase A stator winding of the Andritz variable-speed generator-motor

由于Andritz變速機(jī)組定子繞組（不對(duì)稱繞組）每相4個(gè)分支的分支電勢(shì)都互不重合，所以即使是同相不同分支中距離中性點(diǎn)位置相同的兩個(gè)線圈間發(fā)生短路，兩個(gè)短路點(diǎn)間也會(huì)有電勢(shì)差，從而產(chǎn)生短路電流。

如上所述，仿真一則靠近中性點(diǎn)側(cè)的同相不同分支匝間短路（兩個(gè)短路分支的短路點(diǎn)距離中性點(diǎn)的位置相同，如圖8所示）：轉(zhuǎn)子頻率為8Hz，并網(wǎng)空載工況下A2分支第20匝對(duì)A3分支第20匝發(fā)生短路：短路分支電流IK1和IK2的大小相差不大、相位仍然近于反向，如表6所示。

圖8 一則同相不同分支匝間短路（兩個(gè)短路分支的短路點(diǎn)均靠近中性點(diǎn)側(cè)）Figure 8 A short circuit between different branches in the same phase （the short-circuit points are both close to the neutral point side）

表6 轉(zhuǎn)子頻率8Hz，并網(wǎng)空載下A2（20） 對(duì)A3（20）短路時(shí)的穩(wěn)態(tài)值Table 6 Rotor frequency is 8Hz，steady state values when A2（20） is short circuited to A3（20）

再仿真一則靠近機(jī)端的同相不同分支匝間短路（兩個(gè)短路分支的短路點(diǎn)距離中性點(diǎn)的位置也相同，如圖9所示）：轉(zhuǎn)子頻率為8Hz，并網(wǎng)空載工況下A1分支第2匝對(duì)A4分支第2匝發(fā)生短路：短路分支電流IK1和IK2均不大，但相位仍然近于反向，如表7所示。

表7 轉(zhuǎn)子頻率8Hz，并網(wǎng)空載下A1（02）對(duì) A4（02）短路時(shí)的穩(wěn)態(tài)值Table 7 Rotor frequency is 8Hz，steady state values when A1（02） is short circuited to A4（02）

此時(shí)在構(gòu)成裂相橫差保護(hù)時(shí)，無(wú)論是否將兩個(gè)故障分支分到同一分支組中，對(duì)應(yīng)的裂相橫差保護(hù)均不能動(dòng)作，因?yàn)閮蓚€(gè)短路點(diǎn)的壓差不大（見圖9），但短路回路阻抗較大，導(dǎo)致短路分支電流不大、非故障分支電流則更?。ㄈ绫?所示），不同分支分組方式下流入裂相橫差保護(hù)差動(dòng)回路中的電流都不大，對(duì)應(yīng)的裂相橫差保護(hù)都不能動(dòng)作。

圖9 一則同相不同分支匝間短路（兩個(gè)短路分支的短路點(diǎn)均靠近機(jī)端）Figure 9 A short circuit between different branches in the same phase （the short-circuit points are both close to the terminal side）

如上所述，通過裂相橫差保護(hù)反應(yīng)不同類型的同相不同分支匝間短路的靈敏系數(shù)的對(duì)比分析，靠近中性點(diǎn)側(cè)的相近電位同相不同分支匝間短路的分布特點(diǎn)決定了裂相橫差保護(hù)的構(gòu)成形式，即對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)分支分組方式。

對(duì)于豐寧抽水蓄能二期Andritz變速機(jī)組而言，其分布特點(diǎn)如圖4所示，“12-34”分支分組方式能夠保證將上述中性點(diǎn)側(cè)相近電位的同相不同分支匝間短路的短路回路電流直接引入裂相橫差保護(hù)的差動(dòng)回路中，以提高靈敏度。

通過進(jìn)一步的仿真分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)于Andritz變速機(jī)組端部故障中的156種1匝同相同分支匝間短路（對(duì)應(yīng)的短路匝比<5%），常用的零序電流型橫差、裂相橫差和不完全縱差保護(hù)均不能動(dòng)作；但是由于壓差小的緣故，上述1匝匝間短路發(fā)生的幾率其實(shí)很低。至于相間短路，則完全縱差保護(hù)均能靈敏動(dòng)作。

計(jì)及已有的40多座水電站170多臺(tái)每相4分支發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合豐寧抽水蓄能二期Andritz變速機(jī)組自身的故障特點(diǎn)，最終推薦的定子繞組主保護(hù)配置方案如圖10所示：將每相的1、2分支接在一起，形成中性點(diǎn)o1；再將每相的3、4分支接在一起，形成中性點(diǎn)o2。在o1-o2之間接一個(gè)5P級(jí)電流互感器TA0，以構(gòu)成一套零序電流型橫差保護(hù)；并在每相的1、2分支組和3、4分支組上裝設(shè)分支組電流互感器TA1～TA6，與機(jī)端相電流互感器TA7～TA9構(gòu)成一套完全裂相橫差和一套完全縱差保護(hù)（其中性點(diǎn)側(cè)相電流取自每相已有的兩個(gè)分支組TA）。

圖10 Andritz變速機(jī)組定子繞組內(nèi)部故障主保護(hù)及TA配置推薦方案Figure 10 Main protection configuration scheme for Andritz variable speed unit

之所以采用相鄰連接的分支分組方式（“12-34”），主要取決于Andritz變速機(jī)組靠近中性點(diǎn)側(cè)的相近電位同相不同分支匝間短路的分布特點(diǎn)，且銅環(huán)布置簡(jiǎn)單。

由于完全縱差保護(hù)能夠靈敏反應(yīng)Andritz變速機(jī)組所有的相間短路（發(fā)生幾率高）；上述主保護(hù)配置方案不能動(dòng)作的故障類型則為156種1匝同相同分支匝間短路（對(duì)應(yīng)的短路匝比<5%）和15種機(jī)端附近的同相不同分支匝間短路（如前所述），相應(yīng)的保護(hù)死區(qū)為4.8%。

對(duì)比同樣采用不對(duì)稱定子繞組的荒溝和文登發(fā)電電動(dòng)機(jī)（定速機(jī)組），我們發(fā)現(xiàn)其主保護(hù)配置方案相同，均為零序電流型橫差+完全裂相橫差+完全縱差保護(hù)，但分支分組方式采取的卻是“13-24”；究其原因在于其定子繞組形式所決定的靠近中性點(diǎn)側(cè)的相近電位同相不同分支匝間短路的分布特點(diǎn)有所不同——均發(fā)生在每相的1、2分支（或3、4分支）間（如圖11所示），以及對(duì)應(yīng)的裂相橫差保護(hù)的靈敏度，即通過分支分組確保相應(yīng)故障發(fā)生時(shí)短路回路電流被引入裂相橫差保護(hù)的差動(dòng)回路。

圖11 荒溝/文登發(fā)電電動(dòng)機(jī)中性點(diǎn)側(cè)相近電位同相不同分支匝間短路的分布示意圖Figure 11 Distribution diagram of short circuit between different branches in the same phase with similar potential in the Huanggou and Wendeng generator-motors

5 交流勵(lì)磁發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組主保護(hù)設(shè)計(jì)的新思路

交流勵(lì)磁發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子三相交流繞組在高速旋轉(zhuǎn)并調(diào)速的過程中承受著巨大的離心力，從而造成轉(zhuǎn)子繞組間的相互擠壓及移位變形，且抽水蓄能機(jī)組啟停頻繁，使得轉(zhuǎn)子繞組絕緣更容易磨損，必須重視轉(zhuǎn)子繞組主保護(hù)方案的配置[15]。

若如前所述繼續(xù)沿用發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組主保護(hù)配置方案，則需要增設(shè)轉(zhuǎn)子側(cè)集電環(huán)以引出所需轉(zhuǎn)子繞組的分支電流信息，將對(duì)發(fā)電電動(dòng)機(jī)的軸系設(shè)計(jì)及安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生重大影響。并且交流勵(lì)磁電機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子繞組的頻率很低，而電磁型TA的低頻特性又很差，即使增設(shè)轉(zhuǎn)子側(cè)集電環(huán)及相應(yīng)的TA也無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量所需分支電流。

通過對(duì)交流勵(lì)磁發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)部故障的仿真分析和動(dòng)模電機(jī)的實(shí)驗(yàn)對(duì)比[16]，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)部短路時(shí)產(chǎn)生的分?jǐn)?shù)次諧波磁場(chǎng)會(huì)在定子分支中引起環(huán)流，環(huán)流頻率與轉(zhuǎn)速有關(guān)。

而且現(xiàn)有的定子繞組主保護(hù)方案已經(jīng)可以測(cè)量分支電流，不需額外增加TA，所以監(jiān)測(cè)定子分支環(huán)流的特征頻率是轉(zhuǎn)子繞組主保護(hù)的可行方案，為交流勵(lì)磁發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組主保護(hù)的設(shè)計(jì)提供了新思路。

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）交流勵(lì)磁發(fā)電電動(dòng)機(jī)在抽水蓄能電站具有廣闊的應(yīng)用前景，交流勵(lì)磁發(fā)電電動(dòng)機(jī)多回路數(shù)學(xué)模型的建立并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為變速機(jī)組定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組主保護(hù)設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

（2）借鑒常規(guī)水電機(jī)組和定速發(fā)電電動(dòng)機(jī)主保護(hù)定量化設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過典型故障特征的分析來(lái)確定合理的分支分組方式，簡(jiǎn)化了采用不對(duì)稱繞組的Andritz變速機(jī)組定子繞組主保護(hù)設(shè)計(jì)過程。

（3）由于變速機(jī)組轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)部故障發(fā)生率高，且受制于轉(zhuǎn)子側(cè)電流信號(hào)的測(cè)量與傳輸，監(jiān)測(cè)定子繞組同相分支間環(huán)流的特征頻率應(yīng)是轉(zhuǎn)子繞組主保護(hù)的可行方案。