水輪發電機定子繞組內部故障暫態電流的計算方法分析

楊峪峰

（國網四川瀘州市納溪供電有限責任公司,四川 瀘州 646300）

1 前言

水輪發電機是指以水輪機為原動機，將水能轉化為電能的發電機，是水電站生產的主要動力設備。伴隨著經濟全球化的發展，能源危機成為各國關注的重點問題，我國作為一個人口大國，能源形勢尤其嚴峻。對此，政府部門提出了可持續發展的理念，加大了對于綠色可再生能源的開發力度，水能也因此成為一種重要的能源形式，受到了社會各界的廣泛關注。需要注意的是，水輪發電機作為水電站生產的主要動力設備，其定子繞組一旦出現內部故障，會造成巨大的破壞力，不僅會影響發電機的正常運行，甚至可能影響整個電力系統的穩定和發展。因此，在水輪發電機組，必須配置合理有效的主保護方案，及時對機組的內部故障進行檢測和處理。一般來講，要求發電機主保護在故障后一個周波左右動作，而此時電機的正處于過渡過程中，因此，需要對定子繞組內部故障暫態電流進行準確計算，以保證主保護的正常動作。

2 水輪發電機定子繞組內部故障場路耦合模型

水輪發電機一般情況下結構相對龐大，要想建立切合實際的三維電磁場有限元模型幾乎是不可能的，因此，在對其定子繞組內部故障進行分析時，通常都會建立場路耦合模型，將求解區域分割為場、路兩個部分，在方便計算的同時，也可以使得計算結果更加準確真實。

2.1 電路方程

這里結合發電機慣例，假定定子各相繞組通過正向電流，產生負值磁鏈，勵磁繞組通過正向電流，產生正值磁鏈，則電機回路電壓方程為：

回路電流與線圈電流滿足下列關系

其中G代表所有線圈支路與回路的關聯矩陣。

回路磁鏈并不是單一存在的，而是由兩個部分組成，即

利用解析法和矢量磁位的軸向分量A2，可以求解出端部漏磁鏈和直線部分磁鏈的數值：

將（3）式與（1）式合并，可以得到

式中，Ld為常數矩陣，表示各回路的端部漏感矩陣。

2.2 場路耦合模型

對上述公式進行整理和總結，可以得到相應的矩陣表達式

通過該矩陣表達式，就可以實現場和路的耦合分析。

3 水輪發電機定子繞組內部故障暫態電流計算

以當前市場中較為常用的SF600-42/1308水輪發電機組為例，對其在內部故障暫態電流計算方法進行分析。

3.1 發電機性能參數

額定功率PN：600MW；

額定電壓UN：20000V；

額定功率因數：0.925；

空載勵磁電流If0：1823A；

負載勵磁電流IfN：3531A；

定子槽數Z：504。

3.2 暫態仿真計算

結合上述場路耦合模型，對內部故障暫態電流進行仿真計算。在發生內部故障后，發電機中的磁場不能沿電機圓周進行周期分布，因此需要針對電機截面進行建模計算，但是這樣會造成模型節點的大量增加，為了縮短計算周期，保障計算結果的準確性，這里取計算步長為1ms。同時，為了對分析方法和計算結果進行驗證，針對發電機空載運行時突然單相、兩相以及三相短路后的A向電流的最值和穩定值進行了計算，并將計算結果與經典的解析公式法進行了對比，對比結果如下：

可以看出，采用場路耦合法進行水輪發電機定子繞組內部故障暫態電流的計算具有良好的可行性和可靠性。

故障類型 最大值 穩定值解析法/A相對誤差/%單相短路 105500 108236 2.59 60740 63420 4.41兩相短路 756500 78017 3.13 30660 31564 2.95三相短路 122400 119050 -2.73 37070 38010 2.53場路耦合法/A相對誤差/%解析法/A場路耦合法/A

3.3 故障規律分析

水輪發電機定子繞組的內部故障可以分為匝間短路故障、同相支路間短路故障以及異相支路間短路故障。通過對比分析，可以發現，匝間短路故障在短路匝比在0-20%的范圍內，并沒有明顯變化，流入到中性點的故障分支電流與正常分支電流沒有很大的區別，因此往往是保護的盲區。在這種情況下，短路環電流相對較大，很可能對電機造成嚴重的損壞，不過由于接觸點的壓差較小，因此發生的概率較低。同相支路間短路故障的故障分支電流同樣與正常分支電流相近，不過由于在這種情況下短路環電流極小，幾乎為0，因此不會對電機造成損害。異相支路間短路故障是當前電機內部故障中最為常見的類型，故障電流相對較大，通過配置合理有效的保護方案，一般都能夠可靠動作。

4 結語

總而言之，在社會發展的帶動下，水利發電成為當前我國電力生產的重要組成部分，水輪發電機的運行質量直接影響著電力系統的穩定和安全，應該得到相關管理人員的充分重視，采取合理有效的保護措施，推動我國水利發電行業的穩定健康發展。

[1]肖士勇.水輪發電機定子繞組內部短路故障[D].哈爾濱理工大學,2014.

[2]夏長亮,方紅偉,金雪峰,史婷娜.同步發電機定子繞組內部故障數值分析[J].中國電機工程學報,2006,26(10):124-129.