基于多回路模型的发电机转子匝间故障分析方法技术

基于多回路模型的发电机转子匝间故障分析方法，属于交流电机绕组不对称故障问题的分析研究和电力系统主设备的继电保护技术领域。本发明专利技术基于交流电机的多回路分析法，考虑到转子故障引起的气隙磁场的各种空间谐波、定子相绕组内部不平衡电流和励磁绕组电路拓扑结构的改变，按照定、转子所有回路的实际联接情况来列写电压和磁链方程，并准确计算了各回路参数、尤其是与发生匝间短路故障的励磁绕组有关的电感参数，提出了励磁绕组匝间短路故障的暂态计算方法和稳态计算方法。实验结果验证了两种计算方法的正确性和准确性，为设计转子匝间短路保护提供了定量化依据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于交流电机绕组不对称故障问题的分析研究和电力系统主设备的继电保护
，尤其涉及同步发电机转子励磁绕组匝间短路的分析计算及保护方法。
技术介绍
发电机励磁绕组匝间短路是一种常见的电气故障。一般轻微的转子匝间短路对发电机运行不会直接产生严重影响，而且已有的匝间短路保护原理尚不完善，所以目前并不要求必须装设转子绕组匝间短路保护。但如果故障继续发展，会使励磁电流显著增加，发电机输出无功功率减小，机组振动加剧，短路点处的局部过热还可能使故障演化为转子一点甚至两点接地故障，损坏转子铁芯并可能引起转子大轴磁化，严重情况还会烧伤轴颈和轴瓦，给机组的安全运行带来巨大威胁。上世纪90年代我国某火电厂4台300MW发电机中就有3台因励磁绕组匝间短路等原因最终导致大轴磁化，其中两台还烧坏护环。 因此，深入分析发电机励磁绕组匝间短路的故障机理，发现故障时各电气量的分布和变化规律，并提出有效的保护或诊断方案，才能早期发现励磁绕组匝间短路、监视其发展并确定是否需要检修，从而避免突发性的严重匝间短路及由此发展成的转子接地故障。 目前对发电机励磁绕组匝间短路的研究，主要通过实验检测，在实际应用中的检测结果也还存在局限性；而且多限于定性的理论分析，不能准确计算故障后的励磁电流和定子电流等电气量，还不能为设计转子匝间短路保护提供定量化依据。 考虑到一般的匝间短路会导致励磁绕组在各极下的结构差异，破坏了发电机电气参数的对称性，引起气隙磁场的畸变和定子相绕组内部的不平衡电流，派克方程法以及从相绕组出发的电机分析的传统方法不再适用。 交流电机的多回路分析法，按照电机定、转子绕组的实际联接情况分析各回路的电压和磁链关系；在计算由多个线圈串、并联而成的绕组回路的参数时，可以从单个线圈出发，先得到单个线圈的参数，然后根据各绕组的实际组成情况，由有关线圈的参数计算出绕组回路参数。该方法已经成功解决了电机定子绕组内部故障的计算问题，并应用于发电机内部故障主保护的定量化设计中，相应的专利技术专利“大型发电机定子绕组内部故障主保护配置方法”已获授权。 多回路分析法不仅能够分析定子绕组内部故障，也能深入到转子绕组内部来分析定子所有分支及转子各绕组的电流、电压分布情况，而且能够计及气隙磁场的各种谐波，所以可以应用于对发电机励磁绕组匝间短路故障的计算分析，但会遇到许多不同于正常运行及定子绕组内部故障的新问题。首先，发生在转子的故障导致电机的电路拓扑结构改变，需要重新建立适用于转子匝间短路的多回路模型。其次，由于匝间短路会导致励磁绕组在各极下的结构差异，破坏了发电机电气参数的对称性，考虑励磁绕组匝间短路的多回路数学模型中，与励磁绕组有关的电感参数的特点(如周期性等)和计算方法，都与正常情况以及定子内部短路情况有所不同，还需要建立新的参数模型，包括转子绕组电感参数模型和定、转子绕组互感参数模型。 通过定性分析同步发电机励磁绕组匝间短路故障情况下转子、定子产生磁动势及其在气隙磁场中的相互作用，可以发现定、转子故障电流的稳态谐波特征不仅与励磁绕组的短路匝比及故障位置有关，还与电机的极对数和定子绕组的分支数、分布及联接方式等因素密切相关，在很多情况下会出现不同于机端外部短路及定子绕组内部短路的故障特征。样机实验和基于多回路分析法的转子励磁绕组匝间短路故障计算都验证了上述定性分析的正确性，为基于稳态电流谐波特征的励磁绕组匝间短路故障保护提供了可行性依据。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于多回路分析法的发电机转子励磁绕组匝间短路故障计算与保护方法。 为了分析同步发电机励磁绕组匝间短路故障对定、转子各种电气量的影响，并为保护方法提供依据，本专利技术基于交流电机的多回路分析法，提出了发电机转子励磁绕组匝间短路故障的计算方法。其计算原理是根据多回路分析法把电机看作具有相对运动的电路网络，在没有发生故障的定子方面，考虑到转子故障引起的定子相绕组内部不平衡电流，需要深入到相绕组内部的所有分支，选择定子所有支路(见图1中的实线箭头，不带括号的数字代表定子支路序号)构成的回路(见图1中的虚线箭头，带括号的数字代表定子回路序号)；在转子阻尼绕组方面，考虑到故障引起的气隙磁场的各种空间谐波(包括分数次谐波磁场)，选择实际的网型阻尼回路(见图2中的虚线箭头)；在发生匝间短路的励磁绕组方面，选择正常励磁回路和故障附加回路这2个回路(见图3中的虚线箭头)；而计算上述回路的电感、电阻参数，其中对定子各支路从定子单个线圈的参数出发，而对励磁绕组的故障附加回路从任一极下的1个线圈出发(隐极同步电机的励磁绕组每极绕组由若干个同心式线圈串联而成；凸极同步电机的每个极绕组是个集中整距线圈，可看成隐极同步电机同心式线圈的特例)；列写上述回路的电压和磁链方程，得到一个时变系数的微分方程组；根据不同的运行状态(正常运行或励磁绕组匝间短路故障运行、暂态或稳态)求解方程，就得到了电机定、转子的暂态电流和稳态电流。其主要思路如下 步骤1用磁路分析法计算电感参数，考虑计算的灵活性，可以从单个线圈出发进行分析；对单个线圈(包括定子单个线圈、每个实际的网型阻尼回路、转子励磁绕组每一极下的单个同心式线圈)通电流后的气隙磁动势进行谐波分析，然后结合气隙磁导(对于凸极机来说，气隙磁导是一个级数表示式)，求出气隙磁场，得到单个线圈的电感系数，最后根据将回路中所以相关的单个线圈的电感系数叠加起来，求出定子所有支路(见图1中的实线箭头和不带括号的数字)、励磁绕组的正常回路和故障附加回路、所有的实际网型阻尼回路的电感参数，从而可以灵活地计及空间各次谐波磁场的影响。 步骤2根据上述所有回路的实际联接情况来列写电压和磁链方程，可以考虑其它分析方法难以考虑、但对转子匝间故障影响重大的因素，如故障发生的位置(尤其对隐极同步电机的同心式励磁绕组)、定子绕组内部的分布与联接方式等。 步骤3在用多回路模型建立了同步电机的定转子电压方程并计算了所有回路参数后，就得到了一组具有时变系数的微分方程组，采用四阶龙格-库塔法等方法对该微分方程组进行求解，即可求得定转子各电流的稳态和暂态值，并进而得到其它电气量(如功率等)的值。 步骤4如果只要求进行电机的稳态分析计算(励磁绕组匝间短路故障稳态或者正常稳态运行)，为了节省内存和减少计算时间，可采用以下方法首先通过对转子匝间短路故障中物理概念的分析，确定定、转子各回路电流的频率(定子各支路和阻尼各回路流过交流电流，不仅包括基波、还包括所有的整数次和分数次谐波电流；励磁绕组正常回路和故障附加回路流过直流电流和包括基波、所有的整数次以及分数次谐波的交流电流)；然后将各回路电流的表达式代入上述微分方程组，得到一个超越方程；再按照同频率量相等的原则，得到一个以各回路电流的各次谐波正弦量和余弦量幅值为未知数、以回路电感系数的幅值和相角以及电阻为系数的线性代数方程组；解之即可得到电机励磁绕组匝间短路故障时的稳态电流，继而可得其他的电气量(正常稳态运行也可求解)。 基于多回路分析法的发电机转子励磁绕组匝间短路故障保护原理是在用上述多回路分析法计算出同步发电机励磁绕组匝间短路故障的定、转子电流后，结合傅立叶滤波算法可计算出(或者由稳态计算直接得到)定子绕组同相不同分支之间环流及励磁电流中包含本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于多回路模型的发电机转子匝间故障分析方法，其特征在于，它依次含有以下步骤：步骤１向计算机输入以下数据项和模块：发电机的原始参数，包括：Ｐ为极对数；τ为极距；ｌ为铁心长度；ｗ↓［ｋ］为定子线圈匝数；β为定子线圈短距比；Ｚ为定子槽数；ｋ↓［ｙｋ↓［０］］为定子线圈的ｋ↓［０］次谐波短距系数，ｋ↓［ｙｋ↓［０］］＝ｓｉｎｋ↓［０］βπ／２，ｋ↓［０］＝１，２，３…；ω↓［０］为电机的同步角速度；γ↓［０］（ｉ）为转子ｄ轴在ｔ＝０时领先定子ｉ号线圈轴线的电角度，其中ｉ＝１，２，…，回路的电感和电阻参数步骤２．１．１计算定子支路的电感参数步骤２．１．１．１按下式计算考虑了槽漏和端漏引起的自感系数Ｌ↓［０ｌ］后的定子各单个线圈的自感系数Ｌ（γ）：Ｌ（γ）＝Ｌ↓［０］＋Ｌ↓［２］ｃｏｓ２γ其中，Ｌ↓［０］＝Ｌ↓［０ｌ］＋２幅值的均方和得到各次谐波的幅值；步骤３依次按以下步骤执行同步发电机励磁绕组匝间短路故障的特征分析与保护步骤３．１对步骤２．４的暂态仿真计算结果，从进入稳态的时刻开始取Ｐ２π／ω↓［０］时间内的数值解，用傅立叶滤波算法求出定子所有支路电流和励磁电流的１／Ｐ次谐波、２／Ｐ次谐波、……、Ｐ－１／Ｐ次谐波、基波、Ｐ＋１／Ｐ次谐波、……５次谐波的稳态有效值，以及励磁电流的直流分量；或者由步骤２．５的稳态仿真计算结果，直接得到各种稳态交流成分的有效值和励磁电流直流分量；步骤３．２求出定子所有分支的有效值，就等于步骤３．１得到的各种稳态交流成分有效值的均方和；步骤３．３根据发电机励磁绕组匝间短路故障稳态计算电流各种谐波的不同特点，设计该发电机所特有的励磁绕组匝间短路故障保护：如果定子分支电流的某种分数次谐波电流有效值＞该分支电流有效值的４０％，则由定子分支电流的该分数次谐波作为特征量构成励磁绕组匝间短路故障保护；如果定子分支电流的某种偶数次谐波电流有效值＞该分支电流有效值的４０％，则由定子分支电流的该偶数次谐波作为特征量构成励磁绕组匝间短路故障保护；如果励磁电流的某种分数次谐波电流有效值＞励磁电流直流分量的５％，则由励磁电流的该分数次谐波作为特征量构成励磁绕组匝间短路故障保护；如果励磁电流的某种奇数次谐波电流有效值＞励磁电流直流分量的５％，则由励磁电流的该奇数次谐波作为特征量构成励磁绕组匝间短路故障保护；如果一台发电机可由两种或两种以上特征量构成励磁绕组匝间短路故障保护，那么各种保护经“或”门出口。ｗ↓［ｋ］↑［２］τ...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙宇光，王祥珩，郝亮亮，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]