水轮发电机定子绕组内部故障暂态电流研究

王万威

摘要：内部故障暂态仿真计算对于快速继电保护非常重要，它直接影响继电保护设备的及时性能，关系到设备的运行安全。本文主要针对水轮发电机定子绕组内部故障暂态电流的计算，采用场路耦合的方法对其进行讨论和细化。

关键词：水轮发电机；内部故障；定子绕组；暂态电流

水轮发电机是一种以水轮为原动机将水力能转化为电能的发电机，是水力发电厂生产的主要发电设施。随着世界整体经济进程的推进，能源一直以来都是各国关注的首要问题，而我国的能源形势尤为严峻。对此，党中央早就提出了可持续发展理念，大力发展绿色可再生能源，使水电成为重要的能源形式，因此受到了社会各界的高度关注。水轮发电机作为水力发电厂生产电力的主要动力设备，如果其定子绕组存在内部故障，不仅影响发电机的正常运行，而且影响整个电力系统的稳定性。因此，在水电机组中，必须建立合理有效的主保护方案，以便及时发现和处理机组内部故障。

1. 水轮发电机定子绕组内部故障暂态电流研究的重要性和概况

水轮发电机定子绕组内部故障的破坏性很大，严重影响发电机本身和电力系统的可靠运行。因此，发电机组必须有有效的保护方案，以便及时发现机组内部故障。一般来说，发电机的主保护装置在发生故障后应动作一个周期左右，此时电动机的瞬态现象并未结束，因此需要准确计算内部的瞬态过程。

当电机出现内部故障时，气隙磁场不再呈正弦分布，在一定条件下可能会出现一些较强的偶次谐波，一些专家提出的多回路分析法将电机看做多个相互运动的回路电路，可以考虑气隙磁场谐波作用，故障空间位置和绕组的形状等，因此精度较高。但由于多回路法无法有效考虑电机磁极、开槽、铁芯饱和、涡流等影响，且各回路之间的互感计算非常复杂，多回路法有时会发生错误。而随着计算机性能的不断提高，结合电磁场有限元和多回路分析方法的场路耦合方法可用于分析大型水轮发电机内部故障的瞬态。场路耦合法以矢量磁势和回路电流为求解变量，考虑了多回路法和电磁场有限元法的共同优点，省去了复杂的回路互感求解过程，使得发电机内部故障分析更准确方便。

二、水轮发电机定子绕组内部故障耦合模型

一般来说，水力发电机的体积庞大，几乎不可能建立更贴近实际情况的3D电磁场有限元模型。场电路耦合方法将求解域分为场部分和电路部分。磁场部分是电机的磁极形状（如3段极弧）、槽效应和磁芯材料的非线性等经典的磁路方法无法准确地考虑的因素，路模型能够考虑到端阻抗，而且能够有效结合电磁场数值计算以及多回路分析方法，使计算结果更为准确。

发电机的惯例规定定子的每一相绕组通过正电流以产生负磁链。如果正电流通过励磁绕组，产生正磁通耦合，则发电机回路电压的方程为：

U=pΨ+RI

在这里，U、I和Ψ分别表示回路电压、电流和磁链，它们属于n维列向量（n为回路总数），R代表着n阶平方的回路电阻矩阵。

回路电流和线圈电流满足以下关系：Ib=GI,G为所有线圈支路、回路的关联矩阵。

回路磁链不是单独存在的，而是由Ψ=Ψd+Ψ1两部分组成，其中（Ψd是尖端漏磁链，Ψ1是线性部分磁链）。

利用解析法和矢量磁势的轴向分量A2，我们可以得出两端和线性部分的磁链值为：Ψd=LdpI,Ψ1=

这里我们把Ψ=Ψd+Ψ1和U=pΨ+RI合并，能够得出：

U= +LdpI+RI

在此，Ld作为常数矩阵，能够代表各个回路的端部漏感矩阵。

对上面的公式进行排序和总结,得到相应的行列式

这样就可以实现场和路的耦合分析。

三、水轮发电机定子绕组的内部故障暂态电流分析

例如以生产中常用的某水轮发电机，核心参数为：额定功率600兆瓦，额定电压20000伏特，额定功率因数0.925，空载励磁电流1823安，负载励磁电流3531安，定子槽504，极数42，并联支路数为6，气隙长度为35毫米。利用前面的数学模型对内部故障的暂态过程进行模拟计算，发电机内部发生故障后，磁场无法沿电机周边分布，因此必须对电机的整个横截面进行建模和计算。这样划分后的模型中存在很多节点，考虑到计算精度和计算耗时，将计算步长设置为1 毫秒。

同时，为验证分析方法和计算结果，计算发电机单相、两相、三相突然短路后A向电流空载运行的最大值和稳定值，并将计算结果与经典方法进行比较，可以表明，用于计算水轮发电机定子绕组内部故障暂态电流的场路耦合方法，具有较好的可行性和可靠性。

故障类型	最大值			稳定值
	解析法	场路耦合法	相对误差	解析法	场路耦合法	相对误差
单项短路	105500A	108236A	2.59%	60740A	63420A	4.41%
两相短路	756500A	78017A	3.13%	30660A	31564A	2.95%
三相短路	122400A	119050A	-2.73%	37070A	38010A	2.53%

故障分析。水轮发电机定子绕组内部故障可分为绕组间短路故障、同相支路间短路故障和异相支路间短路故障。通过对比分析可以看出，匝间短路事故在短路匝数之比的0-20%范围内，变化不大，流向中性点的故障支路电流也不是很大。因为它不同于一般的支路电流，所以往往成为保护盲点。在这种情况下，短路电流比较大，会对电机造成严重的损坏，但发生的概率较低，因为接触点的压差很小。同相支路间短路故障的故障支路电流与正常支路电流相似，但此时短路电流很小，接近于零，在电机上不会造成任何损坏。异相支路间短路事故是目前最常见的电机内部故障类型，故障电流较大，应采用合理有效的保护方案，通常能可靠运行。

结束语：总体而言，随着社会的不断进步发展，水力发电现已成为我国清洁能源生产的重要组成部分，水力发电机的运行质量直接影响电力系统的稳定性和安全性，应引起相关管理人员的充分重视。通过采取合理有效的措施，促进我国水电产业的稳定健康发展。

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