同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路的數(shù)學(xué)模型與故障特征.pdf

同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路的數(shù)學(xué)模型與故障特征 孫宇光 郝亮亮 王祥珩 電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 清華大學(xué)電機(jī)系 北京市 100084 摘要 為實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁繞組匝間短路故障的早期診斷 需要準(zhǔn)確計(jì)算故障電流等電氣量 考慮到轉(zhuǎn)子 故障引起的氣隙磁場的各種空間諧波 定子相繞組內(nèi)部不平衡電流和勵(lì)磁繞組電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改 變 建立了同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路故障的擴(kuò)充的多回路數(shù)學(xué)模型 并準(zhǔn)確計(jì)算了與發(fā)生匝間 短路故障的勵(lì)磁繞組有關(guān)的電感參數(shù) 利用數(shù)值方法可對發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路故障整個(gè)過渡 過程中定子各分支及轉(zhuǎn)子繞組電流等電氣量進(jìn)行數(shù)字仿真 在一臺 3 對極隱極同步發(fā)電機(jī)上進(jìn)行 了轉(zhuǎn)子匝間短路的實(shí)驗(yàn)研究 并利用文中的數(shù)學(xué)模型做了相應(yīng)的仿真計(jì)算 故障過渡過程和穩(wěn)態(tài) 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均與仿真結(jié)果相吻合 驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的正確性和仿真程序的準(zhǔn)確性 通過仿真和實(shí) 驗(yàn)歸納出這臺電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路的穩(wěn)態(tài)故障特征 可為轉(zhuǎn)子匝間短路的檢測與保護(hù)提供依據(jù) 關(guān)鍵詞 同步發(fā)電機(jī) 勵(lì)磁繞組 匝間短路故障 擴(kuò)充的多回路模型 收稿日期 2010 10 06 修回日期 2010 11 19 國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 50807027 清華大學(xué)博士生科 研創(chuàng)新 基金資 助項(xiàng) 目 已申 請國 家發(fā) 明專 利 申請 號 201010128929 4 0 引言 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路是一種常見的電 氣故障 一般輕微的轉(zhuǎn)子匝間短路不會對發(fā)電機(jī)運(yùn) 行產(chǎn)生嚴(yán)重影響 而且現(xiàn)有的匝間短路保護(hù)原理尚 不完善 所以目前并不要求必須裝設(shè)轉(zhuǎn)子繞組匝間 短路保護(hù) 但如果故障繼續(xù)發(fā)展 會使勵(lì)磁電流顯 著增加 發(fā)電機(jī)輸出無功功率減小 機(jī)組振動加劇 短路點(diǎn)處的局部過熱還可能使故障衍化為轉(zhuǎn)子一點(diǎn) 甚至兩點(diǎn)接地故障 損壞轉(zhuǎn)子鐵芯并可能引起轉(zhuǎn)子 大軸磁化 嚴(yán)重情況下還會燒傷軸頸和軸瓦 給機(jī)組 的安全運(yùn)行帶來巨大威脅 1 目前對發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路的研究 主要 通過實(shí)驗(yàn)檢測和定性分析 得到兩極汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn) 子匝間短路故障會在定子并聯(lián)支路中產(chǎn)生偶次諧波 環(huán)流的規(guī)律 2 3 也研究了某些發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的故 障諧波特征 4 6 也有學(xué)者提出利用機(jī)組振動特 性 7 和電機(jī)軸電壓 8 進(jìn)行檢測 但這些成果尚不能 為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子匝間短路保護(hù)提供定量化依據(jù) 為了準(zhǔn)確計(jì)算故障后的勵(lì)磁電流和定子電流等 電氣量 本文在文獻(xiàn) 9 計(jì)算凸極同步電機(jī)勵(lì)磁繞組 匝間短路的基礎(chǔ)上 對多分支同步發(fā)電機(jī)的多回路 數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了擴(kuò)充 實(shí)現(xiàn)了各種同步發(fā)電機(jī) 包括 凸極機(jī)和隱極機(jī) 勵(lì)磁繞組匝間短路故障的仿真計(jì) 算 并應(yīng)用于一臺隱極同步實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上 1 用擴(kuò)充的多回路數(shù)學(xué)模型研究發(fā)電機(jī)勵(lì) 磁繞組匝間短路故障 交流電機(jī)的多回路分析法 10 以單個(gè)線圈為分 析單元 在計(jì)算由多個(gè)線圈串 并聯(lián)而成的定 轉(zhuǎn)子 繞組參數(shù)時(shí) 先得到單個(gè)線圈的參數(shù) 然后根據(jù)各繞 組的實(shí)際組成情況 由有關(guān)線圈的參數(shù)計(jì)算出繞組 回路參數(shù) 該方法能深入到電機(jī)繞組內(nèi)部分析各回 路的電流 電壓分布情況 而且能夠計(jì)及氣隙磁場的 各種諧波 不僅能夠分析定子繞組內(nèi)部故障 11 12 也 可用于對發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路故障的計(jì)算 9 本文對文獻(xiàn) 9 的多回路數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了合理 擴(kuò)充 用來計(jì)算同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路故障 時(shí)定 轉(zhuǎn)子繞組各回路電流及電壓 為不失一般性 可只分析勵(lì)磁繞組并聯(lián)支路數(shù)為 1 且只有一處發(fā)生 匝間短路的情況 1 1 定子各回路的電壓方程 勵(lì)磁繞組匝間短路會引起相繞組內(nèi)部的不平衡 電流 因此不能以相繞組為單元列寫定子方程 以 圖 1 中每相 2 分支的電機(jī)為例 選取 5 個(gè)回路電流 作為定子電流的獨(dú)立變量 圖 1 中實(shí)線箭頭代表定 子支路的正方向 虛線箭頭和帶括號的數(shù)字代表定 子回路的正方向和回路序號 如果電機(jī)定子每相并 聯(lián)支路數(shù)為 n 那么數(shù)學(xué)模型中定子有 NS 3n 1 個(gè)回路 以定子各回路電流作為變量 可列出定子各回 路的電壓方程 U D7Sc RScISc MS TDISc RS TISc 1 式中 U 代表無窮大電網(wǎng)的電壓 是 NS維已知向 量 D 為微分算子 向量 7Sc和 ISc分別為定子各回 45 第 35 卷 第 6 期 2011 年 3 月 25 日 Vol 35 No 6 Mar 25 2011 路的磁鏈和電流 RSc為定子回路電阻矩陣 MS T和 RS T分別代表變壓器的漏感和電阻在定子回路中的 作用 均為 NS階常數(shù)方陣 圖 1 定子回路示意圖 Fig 1 Schematic diagram of stator loops 1 2 勵(lì)磁繞組的電壓方程 在故障情況下勵(lì)磁繞組有 2 個(gè)獨(dú)立回路 可選 擇圖 2 虛線箭頭所示的 2 個(gè)回路 即正常勵(lì)磁回路 電流 if 和故障附加回路 電流 ifkL 圖 2 同步發(fā)電機(jī)發(fā)生匝間短路的勵(lì)磁回路 Fig 2 Loops of field windings with inter turn short circuit 列寫勵(lì)磁繞組的電壓方程如下 EZF 0 D 7f 7fkL rf RZFrfk rfkrfk RfkL if ifkL 2 式中 7f和 7fkL分別為勵(lì)磁繞組正常回路和故障附 加回路的磁鏈 rf和 rfk分別為勵(lì)磁繞組正?；芈泛?短路匝的電阻 EZF和 RZF分別為勵(lì)磁系統(tǒng)電源的電 動勢和內(nèi)電阻 RfkL為勵(lì)磁繞組故障附加回路的短 路過渡電阻 金屬性短路時(shí) RfkL主要為短接線的電 阻 可忽略不計(jì) 1 3 阻尼繞組的電壓方程 考慮到故障引起的氣隙磁場的各種空間諧波 包括分?jǐn)?shù)次諧波磁場 選擇實(shí)際的網(wǎng)型阻尼回路 見圖 3 中的虛線箭頭 列寫電壓方程 0 0 s 0 0 D 7d 1 7d 2 s 7d Nd 1 7d Nd Rd id 1 id 2 s id Nd 1 id Nd 3 式中 Rd為阻尼回路電阻矩陣 Rd rd 1 rc 2 rc 1 rc 2rd 2w w wrd Nd 1 rc Nd rc 1 rc Ndrd Nd rc i為第i i 1 2 Nd 根阻尼條的電阻 rd i為第 i 個(gè)阻尼回路的電阻 rd i rc i rc i 1 2re i re i為 第i 個(gè)阻尼端環(huán)的電阻 圖 3 阻尼回路的示意圖 Fig 3 Schematic diagram of damper loops 1 4 形成以定子和轉(zhuǎn)子所有回路電流為狀態(tài)變量 的狀態(tài)方程 綜合式 1 式 3 得到矩陣形式的定 轉(zhuǎn)子所 有回路電壓方程 可簡寫為 U D7c MTDIc Rc RT Ic 4 式中 U 由電網(wǎng)電壓和勵(lì)磁系統(tǒng)電源電壓組成 是已 知的列向量 7c和 Ic分別為定 轉(zhuǎn)子上述各回路的 磁鏈列向量和電流列向量 Rc為回路電阻矩陣 MT 和 RT均為 NS 2 Nd階常數(shù)方陣 本文規(guī)定 定 轉(zhuǎn)子各回路正值電流均產(chǎn)生正值 磁鏈 則所有回路的磁鏈可表示為 7c McIc 5 式中 Mc為回路電感矩陣 在求解式 4 之前 必須 準(zhǔn)確計(jì)算該矩陣 特別是與發(fā)生短路故障的勵(lì)磁繞 組有關(guān)的電感參數(shù) 針對凸極同步電機(jī)的集中式勵(lì)磁繞組和隱極同 步電機(jī)的分布式勵(lì)磁繞組 都可應(yīng)用氣隙磁導(dǎo)的概 念和諧波分析的方法計(jì)算與單個(gè)勵(lì)磁線圈有關(guān)的電 感參數(shù) 再按照故障勵(lì)磁繞組的實(shí)際連接情況進(jìn)行 疊加 得到與勵(lì)磁繞組各回路有關(guān)的多回路參數(shù)模 型 具體推導(dǎo)過程可參見文獻(xiàn) 9 13 在得到回路電感矩陣之后 利用數(shù)值解法求解 式 4 可得到勵(lì)磁繞組匝間短路時(shí)同步電機(jī)定 轉(zhuǎn) 子繞組的所有電流 電壓量 實(shí)現(xiàn)對故障的暫態(tài)仿 真 2 仿真與實(shí)驗(yàn) 為檢驗(yàn)上述同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障擴(kuò)充 的多回路數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)的數(shù)字仿真程序的正確 46 2011 35 6 性 在一臺特制的樣機(jī) 下文簡稱 A1553 樣機(jī) 上進(jìn) 行了勵(lì)磁繞組匝間短路實(shí)驗(yàn)研究 并對比了實(shí)驗(yàn)結(jié) 果與仿真結(jié)果 2 1 A1553樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)方法 A1553 樣機(jī)是一臺 3 對極的隱極同步發(fā)電機(jī) 其主要參數(shù)如下 額定功率 PN為 12 kW 額定電壓 UN為400 V 額定電流IN為 21 7 A 額定功率因數(shù) cos UN為0 8 額定轉(zhuǎn)速 nN為 1 000 r min 定子為 整數(shù)槽疊繞組 每相 3 個(gè)并聯(lián)分支 轉(zhuǎn)子為 6 極的 疊片鐵芯 除開有 36 個(gè)勵(lì)磁槽 分度數(shù)為 54 每極 中心部分少開 3 個(gè)槽 以外 還開了 54 個(gè)均勻分布 的圓形阻尼槽 見圖 4 每極下的勵(lì)磁繞組由 3 個(gè) 同心式線圈串聯(lián)而成 每個(gè)線圈的串聯(lián)匝數(shù)都是 41 所以勵(lì)磁繞組每極串聯(lián)匝數(shù)為 123 全部 6 個(gè)極 下的繞組都串聯(lián)起來構(gòu)成整個(gè)勵(lì)磁繞組 其串聯(lián)總 匝數(shù)為 738 圖 4 A1553 樣機(jī)轉(zhuǎn)子沖片及勵(lì)磁繞組引出抽頭 Fig 4 Rotor lamination and field winding s taps of A1553 model machine 為便于進(jìn)行勵(lì)磁繞組匝間短路實(shí)驗(yàn) A1553 樣 機(jī)除引出了勵(lì)磁繞組首末兩端的抽頭之外 還在繞 組內(nèi)部引出了 5 個(gè)抽頭 各抽頭的位置及相應(yīng)匝數(shù) 如圖 4 所示 下面以勵(lì)磁繞組抽頭 4 與 5 之間的匝間短路 短路匝數(shù)占勵(lì)磁繞組總匝數(shù)的 43 5 為例 對實(shí) 驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對比和分析 實(shí)驗(yàn)在單機(jī)空 載工況下進(jìn)行 見圖 5 A1553 樣機(jī)被一臺直流電 動機(jī)拖動至 1 000 r min 直流電機(jī)由 6RA70 型直 流調(diào)速設(shè)備 SIEMENS 制造 驅(qū)動 在實(shí)驗(yàn)過程中 能穩(wěn)定地保持同步轉(zhuǎn)速 A1553 樣機(jī)勵(lì)磁繞組的電 源由一臺輸出可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源提供 電壓紋波 非常小 將勵(lì)磁繞組的抽頭 4 和 5 連到短路開關(guān) K 兩側(cè) 在正常單機(jī)空載運(yùn)行情況下合上開關(guān)就能實(shí) 現(xiàn)匝間短路故障 借助數(shù)字存儲示波器可記錄下故 障發(fā)生前后定子各分支及轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組電流的整個(gè) 過渡過程 包括進(jìn)入穩(wěn)態(tài)以后 的實(shí)驗(yàn)波形 圖 5 單機(jī)空載工況下勵(lì)磁繞組抽頭 4 與 5 匝間短路 實(shí)驗(yàn)的接線示意圖 Fig 5 Schematic diagram of inter turn short circuit experiment of the 4th to 5th tap in field windingof A1553 model machine on no load condition 2 2 勵(lì)磁繞組匝間短路故障過渡過程的實(shí)驗(yàn)與仿 真結(jié)果對比 圖 6 為故障過渡過程的實(shí)驗(yàn)波形和仿真波形 圖 6 A1553 樣機(jī)勵(lì)磁繞組抽頭 4 與 5 匝間短路故障的 定 轉(zhuǎn)子繞組各處電流過渡過程波形 Fig 6 Transient waveforms under inter turn short circuit of the 4th to 5th tap in field winding of A1553 model machine on no load condition 實(shí)驗(yàn)的故障發(fā)生在 t 0 13 s 實(shí)驗(yàn)中 A1553 樣機(jī)正常單機(jī)空載運(yùn)行 0 0 13 s 時(shí)出現(xiàn)了仿真 中不存在的定子各分支電流 這主要是電機(jī)制造和 安裝中造成的微小偏差所致 除此之外 從圖 6 可 以看出 故障后定子分支電流和勵(lì)磁電流的仿真波 形都與實(shí)驗(yàn)波形相吻合 為了進(jìn)一步檢驗(yàn)仿真程序的計(jì)算精度 本文還 通過傅里葉分解算法得到了實(shí)驗(yàn)波形和仿真波形穩(wěn) 47 研制與開發(fā) 孫宇光 等 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路的數(shù)學(xué)模型與故障特征 態(tài)過程中不同頻率分量的有效值 如表 1 所示 表 1 A1553 樣機(jī)勵(lì)磁繞組抽頭 4與 5 匝間短路時(shí) 定 轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)電流各次諧波的有效值 Tab 1 Root mean square of every harmonics in steady state currents under inter turn short circuit of the 4th to 5th tap in field winding of A1553 model machine 各電流穩(wěn)態(tài) 分量有效值 實(shí)驗(yàn)值 A 故障前 正常空載 故障后 故障后 計(jì)算值 A 計(jì)算 誤差 a3分支 電流 各次 諧波 c3分支 電流 各次 諧波 勵(lì)磁 繞組 正常 部分 電流 各次 諧波 勵(lì)磁 繞組 短接線 電流 各次 諧波 1 3 次諧波0 060 921 0311 96 2 3 次諧波0 124 164 538 89 基波0 560 460 4 3 次諧波0 214 114 6212 41 5 3 次諧波0 111 481 7014 86 2 次諧波0 010 020 7 3 次諧波0 010 190 2321 05 8 3 次諧波0 090 961 2025 00 3 次諧波0 040 080 1 3 次諧波0 030 740 8616 22 2 3 次諧波0 113 744 099 36 基波0 710 580 4 3 次諧波0 244 585 0911 14 5 3 次諧波0 131 801 947 78 2 次諧波00 010 7 3 次諧波0 010 360 385 56 8 3 次諧波0 091 031 2218 45 3 次諧波0 050 090 直流分量5 639 179 13 0 44 1 3 次諧波00 120 2 3 次諧波00 010 基波00 320 26 18 75 4 3 次諧波0 010 010 5 3 次諧波00 010 2 次諧波00 070 03 57 14 7 3 次諧波000 8 3 次諧波000 3 次諧波00 060 060 直流分量0 8 32 8 29 0 36 1 3 次諧波00 240 2 3 次諧波00 030 基波00 770 59 23 38 4 3 次諧波00 010 5 3 次諧波00 020 2 次諧波00 160 06 62 50 7 3 次諧波000 8 3 次諧波000 3 次諧波00 140 13 7 14 從表 1 看到 計(jì)算出的穩(wěn)態(tài)電流中并沒有實(shí)驗(yàn) 電流中比較明顯的定子分支基波電流和勵(lì)磁繞組 1 3 次諧波電流 實(shí)際上這 2 種穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)電流并非 由勵(lì)磁繞組匝間短路故障引起的 從表 1 列出的實(shí) 驗(yàn)值可知 故障前 A1553樣機(jī)定子相繞組內(nèi)部存在 的固有環(huán)流中主要是基波成分 也包含較小的 2 3 次和 4 3 次諧波電流 故障后定子分支穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)電 流的基波大小與故障前幾乎相等 而 2 3 次和 4 3 次諧波電流明顯增加 說明勵(lì)磁繞組抽頭 4 和 5 匝 間短路故障帶來了定子分支電流的 2 3 次和 4 3 次 諧波電流 而基波電流并不是故障產(chǎn)生的 而故障 后勵(lì)磁電流的 1 3 次諧波分量是由實(shí)驗(yàn)中短路點(diǎn)電 刷接觸電阻隨轉(zhuǎn)子運(yùn)動的變化造成的 這些實(shí)際存 在的次要因素不在仿真計(jì)算的考慮范圍之內(nèi) 從表 1 的 計(jì)算誤差0一列可知 除個(gè)別本身數(shù) 值非常小的諧波分量 勵(lì)磁繞組匝間短路故障穩(wěn)態(tài) 電流各次諧波有效值的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差 幾乎不超過 20 而且對于故障后占主要成分的定 子分支電流的 2 3 次和 4 3 次諧波 勵(lì)磁電流直流 分量 計(jì)算誤差都在 15 以內(nèi) 驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的 正確性和仿真程序的準(zhǔn)確性 2 3 勵(lì)磁繞組匝間短路穩(wěn)態(tài)故障特征分析 結(jié)合上面的分析 從表 1 可以歸納出 A1553 樣 機(jī)勵(lì)磁繞組抽頭 4 與 5 匝間短路的穩(wěn)態(tài)故障特征包 括 1 定子同相并聯(lián)支路間出現(xiàn)了由分?jǐn)?shù)次諧波組 成的環(huán)流 其中 2 3 次和 4 3 次諧波環(huán)流最大 2 勵(lì)磁電流中主要是直流分量 而且比故障前 明顯增大 交流分量中只包含基波及 2 次 3 次等整 數(shù)次諧波 并且有效值都比較小 發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí) 勵(lì)磁磁動勢在每極下的分 布情況相同 只是相鄰極下由于繞向相反而方向相 反 在空間上每一對極重復(fù)一次 所以只包含空間基 波和 3 次 5 次等奇數(shù)次諧波磁動勢 這些磁動勢產(chǎn) 生的諧波磁場在同相的所有分支都會感應(yīng)出相同的 電動勢 不會引起同相并聯(lián)支路間的環(huán)流 而勵(lì)磁繞組短路時(shí) 各極下磁動勢不再相等 故 障后的勵(lì)磁磁動勢除包括正常運(yùn)行時(shí)的空間基波及 奇數(shù)次諧波外 還包括各偶數(shù)次和分?jǐn)?shù)次空間諧波 由于 A1553 樣機(jī)每分支由相距為 P電角度的 2 個(gè) 線圈組反向串聯(lián)而成 見附錄 A 故障的勵(lì)磁繞組 產(chǎn)生的偶次諧波磁場在每個(gè)線圈組產(chǎn)生的感應(yīng)電動 勢相等 但因反向串聯(lián) 結(jié)果每個(gè)分支的感應(yīng)電動勢 都為零 不會產(chǎn)生偶數(shù)次諧波環(huán)流 而空間各分?jǐn)?shù) 次諧波磁動勢在定子同相各分支感應(yīng)出相位不同的 電動勢 進(jìn)而引起相繞組內(nèi)部各分支的分?jǐn)?shù)次諧波 環(huán)流 由于勵(lì)磁繞組抽頭 4 與 5 短路時(shí)故障勵(lì)磁繞 組產(chǎn)生的勵(lì)磁磁動勢的空間 2 3 次和 4 3 次諧波最 大 因此 定子同相并聯(lián)支路間的諧波環(huán)流中 2 3 次 和 4 3 次諧波最大 A1553 樣機(jī)定子繞組的空間分布與連接方式 見附錄 A 決定了定子三相各分支電流共同產(chǎn)生的 合成磁動勢只會在轉(zhuǎn)子回路 包括勵(lì)磁繞組及阻尼 48 2011 35 6 回路 感應(yīng)出整數(shù)次諧波電流 并且由于 A1553 樣 機(jī)具有結(jié)構(gòu)完整的阻尼繞組 見圖 4 使得轉(zhuǎn)子故 障電流的交流分量主要分布在阻尼回路中 而勵(lì)磁 電流中的交流分量較小 由于上述電流諧波特征不同于機(jī)端外部短 路 10 定子內(nèi)部短路 11 12 及轉(zhuǎn)子偏心 14 15 等故障 可作為勵(lì)磁繞組匝間短路故障診斷的依據(jù) 3 結(jié)語 本文建立了同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路故障 擴(kuò)充的多回路數(shù)學(xué)模型 可以考慮氣隙磁場的各種 空間諧波 定子繞組不平衡電流等因素的影響 特別 針對隱極同步電機(jī)的分布式勵(lì)磁繞組 準(zhǔn)確計(jì)算了 與發(fā)生匝間短路故障的勵(lì)磁繞組有關(guān)的電感參數(shù) 實(shí)現(xiàn)了隱極同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路故障的數(shù) 字仿真 過渡過程和穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果都驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模 型的正確性和仿真程序的準(zhǔn)確性 為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子匝間 短路保護(hù)提供了定量化依據(jù) 數(shù)字仿真和實(shí)驗(yàn)都表明 A1553 樣機(jī)勵(lì)磁繞組 匝間短路故障時(shí)定子相繞組內(nèi)部會出現(xiàn)分?jǐn)?shù)次諧波 的穩(wěn)態(tài)環(huán)流 勵(lì)磁繞組會出現(xiàn)基波電流 這種穩(wěn)態(tài)電 氣特征在機(jī)端外部短路 定子內(nèi)部短路及轉(zhuǎn)子偏心 等其他故障中都不會出現(xiàn) 可為勵(lì)磁繞組匝間短路 故障的檢測及保護(hù)提供依據(jù) 附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版 http aeps sgepri sgcc com cn aeps ch index aspx 參 考 文 獻(xiàn) 1 李偉清 汽輪發(fā)電機(jī)故障檢查分析及預(yù)防 M 北京 中國電力 出版社 2002 2 KRYU KHIN S S A new principle for synchronous machine protection from rotor winding inter turn and double earth faults J Electrical Technology 1972 2 5 47 59 3 MU HLHAUS J WARD D M LODEGE I T he detection of shorted turns in generator rotor windings by measurement of circulatingstatorcurrents C Proceedingsofthe2nd International Conference on Electrical Machines Design and Applications September 17 19 1985 London U K 100 103 4 萬書亭 李和明 李永剛 等 同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障時(shí)勵(lì) 磁電流諧波特性分析 J 電力系統(tǒng)自動化 2003 27 22 64 67 WAN Shuting LI Heming LI Yonggang et al Analysis of generator excitation current harmonics on rotor winding inter turn shortcircuit fault J Automation ofElectric Power Systems 2003 27 22 64 67 5 PENMAN J JIANG H The detection of stator and rotor winding short circuits in synchronous generators by analysing excitation current harmonics C Proceeding s of Opportunities and Advances in International Electric Power Generation March 18 20 1996 Durham UK 137 142 6 NETI P NANDI S Analysis and modeling of a synchronous machine with structural asymmetries C Proceedings of 2006 IEEE Conference on Electrical and Computer Engineering May 7 10 2006 Ottawa Canada 1236 1239 7 TRUT T F C SOT T ILE J KOHLER J L Detection of AC machinewindingdeteriorationusingelectricallyexcited vibrations J IEEE T rans on Industry Applications 2001 37 1 10 14 8 TORL AY J CORENWINDER C Analysis of shaft voltages in large synchronous generators C Proceedings of1999 International Conference on Electric Machines and Drives May 9 12 1999 Seattle WA USA 607 609 9 孫宇光 王祥珩 桂林 等 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路的仿真 研究 J 電工電能新技術(shù) 2008 27 2 5 10 SUN Yuguang WANG Xiangheng GUI Lin et al Simulation research on inter turnshortcircuitsoffield windings in synchronous machines J Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy 2008 27 2 5 10 10 高景德 王祥珩 李發(fā)海 交流電機(jī)及其系統(tǒng)的分析 M 北京 清華大學(xué)出版社 1994 11 王祥珩 多支路同步電機(jī)無載時(shí)定子內(nèi)部故障的分析方法 J 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào) 1987 7 5 1 11 WANG Xiangheng T he analyzing method of stator fault of synchronousmachinewithmult i branchonno load J Proceedings of the CSEE 1987 7 5 1 11 12 WANG Xiangheng CHEN Songlin WANG Weijian et al A study of armature winding internal faults for turbo generators J IEEE T rans on Industry Applications 2002 38 3 625 631 13 孫宇光 郝亮亮 王祥珩 隱極同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路的 多回路電感參數(shù)計(jì)算 J 電力系統(tǒng)自動化 2010 34 13 55 60 SUNYuguang HAOLiangliang WANGXiangheng Inductance calculation of the mult i loop model for inter turn short circuits of field windings in non salient pole synchronous machine J Automation of Electric Power Systems 2010 34 13 55 60 14 諸嘉惠 袁新枚 邱阿瑞 等 大型水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心對單元 件橫差保護(hù)影響的分析 J 電力系統(tǒng)自動化 2005 29 11 45 48 ZHU Jiahui YUAN Xinmei QIU Arui et al Analysis of the effect of eccentricity on single element transverse differential protection in large sized hydro generator J Automation of Electric Power Systems 2005 29 11 45 48 15 諸嘉惠 邱阿瑞 轉(zhuǎn)子偏心對凸極發(fā)電機(jī)主保護(hù)不平衡電流的 影響 J 電力系統(tǒng)自動化 2009 33 7 57 60 ZHU Jiahui QIUArui Effects ofrotoreccentricityon unbalanced current of salient pole synchronous generator main protection J Automation of Electric Power Systems 2009 33 7 57 60 孫宇光 1975 女 通信作者 博士 講師 主要研究方 向 電機(jī)內(nèi)部故障的仿真與保護(hù) E mail sunyuguang98 mails tsinghua edu cn 49 研制與開發(fā) 孫宇光 等 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路的數(shù)學(xué)模型與故障特征 郝亮亮 1985 男 博士研究生 主要研究方向 大型 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路故障仿真與保護(hù) 電機(jī)及系統(tǒng)分 析 E mail haoll07 mails tsinghua edu cn 王祥珩 1940 男 博士 教授 博士生導(dǎo)師 主要研究 方向 電機(jī)分析和控制 電機(jī)故障及保護(hù) 電氣傳動及其自動 化 E mail wangxh mail tsinghua edu cn Math Model and Fault Characteristics of Field Winding Inter turn Short Circuit of Synchronous Generator SUN Yuguang H AO Liangliang WA NG Xiangheng State Key Lab of Power Systems Department of Electrical Engineering T singhua University Beijing 100084 China Abstract In order to achieve early diagnosis for inter turn short circuit fault of field winding ISFFW electrical quantities under fault conditions such as currents of stator and rotor winding must be calculated accurately An extended mult i loop math model for ISFFW is established which considers the spatial harmonics of air gap magnetic field the unbalanced currents inside the phase windings and changes of topological structure in excitation circuits due to rotor faults It may accurately evaluate inductances of the field winding with the model under ISFFW and facilitate numerical simulation of all branch currents in stator and rotor windings during the whole fault transient ISFFW experiments have been carried out on a 12 kW model synchronous generator with three non salient pole pairs The experiment data of both transient and steady state processes coincide well with the simulation results obtained from the above math model which verifies correctness of the math model and accuracy of the simulation program Based on the simulation and experiment results a summary is given on the steady state characteristics of the faults which may serve as the basis for the protection against ISFFW This work is supported by National Natural Science Foundation of China No 50807027 Key words synchronous generator field winding fault of inter turn short circuit extended mult i loop math model 上接第 13 頁 continued from page 13 16 ZIBELM ANA KRAPELSE Deploymentofdemand response as a rea l time resource in organized markets J The Electricity Journal 2008 21 5 51 56 17 ANDERSON C L CARDELL J B Reducing the variability of wind power generation for participation in day ahead electricity markets C Proceedingsofthe41stAnnual Hawaii International Conference on System Sciences January 7 10 2008 Hawaii USA 18 Federal Energy Regulatory Commission Smart grid policy statement and action plan EB OL 2010 07 16 http www ferc gov whats new comm meet 2009 071609 E 3 pdf 19 WANG P BILLINT ON R Reliability benefit analysis of adding WT G to a distribution system J IEEE Trans on Power Sy stems 2001 16 2 134 139 20 BILLINT ON R W