雙繞組發電機交流側負載對直流側突然短路電流的影響分析

孫俊忠, 王輝波, 周智勇

(海軍潛艇學院 動力系，山東 青島 266000)

雙繞組發電機交流側負載對直流側突然短路電流的影響分析

孫俊忠, 王輝波, 周智勇

(海軍潛艇學院 動力系，山東 青島 266000)

通過對物理概念和矢量圖的深入分析，研究了3/12相雙繞組發電機交流側負載大小和功率因數對直流側突然短路電流的影響，簡化了短路電流的計算公式，明確了直流側最大短路電流的計算條件。通過實機試驗，檢驗了理論分析的準確性。

雙繞組發電機； 直流側突然短路； 功率因數； 交流側負載

0 引 言

3/12相雙繞組交直流發電機(簡稱雙繞組發電機)的定子上布置有兩套繞組：一套提供三相交流電，稱之為交流繞組(交流側)；另一套是12相四Y移15°繞組，經橋式整流后輸出直流電，稱之為直流繞組或整流繞組(直流側)[1-2]。交流側帶負載時直流側突然短路是雙繞組發電機最常見的短路故障之一。這種突然短路的情況受交流側負載的影響較大。文獻[1]用解析法分析了交流側帶負載時直流側突然短路的短路電流，但對交流負載的影響沒有深入研究,而且得到的整流繞組短路電流的計算公式很復雜，沒有進行簡化。本文在文獻[1]的基礎上，采用理論分析和試驗檢驗的方法，全面研究了交流負載對直流側短路電流的影響，有效簡化了短路電流的計算公式，給出了直流側最大短路電流的計算條件，解決了工程應用的關鍵問題。因為雙繞組發電機的交流電壓主調、直流電壓浮動，所以在分析交流側負載對直流側短路電流的影響時，保持交流電壓不變，改變交流側負載電流或功率因數的大小，即在保持交流電壓和交流側負載功率因數不變的情況下，分析交流側負載大小對短路電流的影響；在保持交流電壓和交流側負載電流不變的情況下，分析交流功率因數大小對短路電流的影響。

本文采用的假定條件與文獻[1]相同，即假定短路前交流側帶負載穩態運行，直流側為空載，短路發生在直流側出線端，不考慮線路阻抗的影響，并認為短路前后轉速和勵磁均保持不變[1]。主要符號的意義如下：

Ua是整流繞組4Y等效并折算到交流繞組的相電壓；UA是交流繞組的相電壓；δa、δA分別表示整流繞組電壓Ua和交流繞組電壓UA與EA夾角；EδA,Eδy分別為交流繞組和整流繞組單Y繞組的氣隙電勢；xlA是交流繞組自漏電抗，xlmAa是等效整流繞組與交流繞組間互漏電抗 ，ΔxlA1=xlA-xlmAa；rA為交流繞組的電阻；k是交流繞組與整流繞組單Y有效匝數比；IA為交流繞組電流。xdM、xqM分別是交流繞組和等效整流繞組d、q軸同步互電抗。這些參數的詳細推導請參見文獻[2]。

1 交流側負載大小對短路電流的影響

雙繞組發電機的運行矢量圖如圖1所示[1]。交流側負載大小對短路電流的影響涉及兩個方面，在保持交流電壓不變的情況下，一方面，若負載電流增大，則電樞反應增加，繞組漏阻抗的壓降也增加，這時必須增加勵磁電流以抵消增加的電樞反應和補償增加的繞組漏阻抗壓降(電樞磁勢和繞組漏阻抗壓降都與負載電流成正比)，從而使氣隙磁場及其在整流繞組(4Y等效并折算到交流繞組的整流繞組[3])感應的氣隙電勢增大，這一因素使整流繞組電壓Ua增大；另一方面，交流繞組與整流繞組之間還存在漏磁場耦合作用，交流繞組電流在整流繞組中產生互漏抗壓降，這個因素使整流繞組電壓減小。

圖1 雙繞組發電機運行矢量圖

上述兩種作用因素可通過式(1)進一步說明，由矢量圖1可得

(1)

式(1)體現了上述兩種因素的作用，通常xlA>xlmAa，第一因素起主要作用，因此交流繞組電流增加使整流繞組電壓Ua增大。

根據文獻[1]，整流繞組交流側a1相短路電流的表達式為

(2)

這個運算式比較復雜，為了在工程上便于應用，需對此進行簡化。

(3)

整流繞組其他各相的短路電流根據參考文獻[1]可以很方便地得到。

該近似式的準確性通過后面的試驗進行檢驗。

整流繞組電壓Ua增大，整流繞組交流側短路電流也增大，根據文獻[4]，相應的直流側最大短路電流為idcmax=3.831ia1max，直流側短路的最大電流也增大(主要關心的是突然短路后直流側的最大電流及其到達時刻)。

下面通過試驗和計算對上面的分析進行檢驗。試驗模擬樣機的參數如下：xlA=0.017 94、rA=0.033 33、xAd=0.612 48、xAq=0.612 48;xlmAy1=0.005 913、xlmAy2=0.005 913、xlmAy3=0.007 804、xlmAy4=0.007 804;xly=0.021 91、ry=0.011 15、xlm1=-1.598×10-4、xlm2=-6.006 5×10-3;xlfd=0.025 06、xlfq=0.068 97、xlkd=0.017 37、xlkq=0.017 37;rfd=0.004 092、rfq=0.006 255、rkd=0.014 1、rkq=0.014 1;k=2.136 3。在UAB=100 V、cosφ=0.8不同交流側負載電流時，直流側短路電流最大值計算結果及試驗結果如表1所示。計算1表示按照式(2)計算的結果，計算2表示按照近似式(3)計算的結果。

表1 直流側短路電流最大值及試驗結果

由表1可見，近似式與非近似式計算結果相差較小，兩者與試驗所得結果的誤差均不超過10%，在工程允許范圍內。計算和試驗所得到達最大電流的時刻,均在7 ms附近，基本不受負載大小的影響。在同一交流電壓和一定功率因數下，隨著交流負載的增大，直流側短路電流最大值增大，試驗和計算表明：模擬樣機交流負載10 A比交流空載時的直流側最大短路電流增大約16%。因此，在分析雙繞組發電機交流側帶負載直流側突然短路的電流時，必須考慮交流側負載的大小，直流側最大短路電流應該是交流側負載最大時的短路電流。這對于雙繞組發電機的設計和電力系統的保護有重要意義。

2 交流側負載功率因數對短路電流的影響

在交流電壓和交流側負載電流大小保持不變的條件下，分析交流側負載功率因數對短路電流的影響。由于交流側負載的額定功率因數是0.8，而且交流側負載一般都在額定功率因數附近變化，所以本文僅研究額定功率因數附近的變化影響。由于功率因數改變后，電樞反應、繞組漏阻抗壓降均會有所變化，如矢量圖1所示。為保持交流電壓不變，必須相應地改變勵磁電流。由于負載電流保持不變，使得交流繞組磁勢和漏阻抗壓降的大小不變，僅是相角有所變化(但在額定功率因數附近)，這對整流繞組交流側短路前電壓影響不大，所以對短路電流影響不大。

下面通過試驗和計算對上面的分析進行檢驗。模擬樣機在UAB=100 V、IA=10 A時，計算帶不同功率因數(額定功率因數附近)的交流側負載時直流側的短路電流最大值，計算結果和試驗結果如表2所示。計算1表示按照式(2)計算的結果，計算2表示按照近似式(3)計算的結果。

表2 帶不同功率因數的交流側負載時直流側的短路電流最大值及試驗結果

由表2可見，近似式與非近似式計算結果相差較小，兩者與試驗所得結果的誤差均不超過10%，在工程允許范圍內。計算和試驗所得到達最大電流的時刻,均在7 ms附近，基本不受負載功率因數的影響。在同一交流電壓和負載電流的情況下，隨著功率因數的變化(額定功率因數附近)，直流側短路電流最大值變化不大，試驗和計算表明：功率因數0.6～0.9變化范圍內，直流側短路電流最大值與額定功率因數時的最大值最大相差約2%，所以功率因數在額定功率因數附近的變化對直流側短路電流的影響很小，可以近似忽略不計。對于偏離額定功率因數較大的情況，可以應用文獻[4]建立的電路仿真模型進行研究。

3 結 語

雙繞組發電機交流側負載對直流側突然短路電流的影響概括如下：在同一交流電壓和一定功率因數下，隨著交流側負載的增大，直流側短路電流最大值增大；在同一交流電壓和負載電流的情況下，交流側負載在額定功率因數附近的變化對直流側短路電流最大值影響很小，可以忽略不計；交流側負載對直流側短路電流到達最大值的時刻基本沒影響。因此，在分析雙繞組發電機交流側帶負載直流側突然短路的電流時，必須考慮交流負載的大小，直流側最大短路電流應該是交流負載最大時的短路電流。本文得出的整流繞組短路電流近似計算式不僅簡明，而且準確性符合工程要求。本文通過理論分析和試驗檢驗證明了上述結論的正確性。

[1] 孫俊忠，劉愛華.雙繞組發電機交流側帶負載直流側突然短路流側突然短路的分析[J].華北電力大學學報，2011，38(1)： 44-49.

[2] 孫俊忠，馬偉明，吳旭升,等.3/12相雙繞組發電機數學模型研究[J].中國電機工程學報，2003，23(1)： 93-96.

[3] 馬偉明，胡安，袁立軍.十二相同步發電機整流系統直[J].中國電機工程學報，1999,19(3)： 3l-36.

[4] 孫俊忠，姜海龍.3/12相雙繞組交直流發電機的電路模型[J].電機與控制應用，2006，33(2)： 12-16.

Effect of Original AC Side Load on DC Side Sudden Short Circuit Current of Double Winding Generator

SUNJunzhong,WANGHuibo,ZHOUZhiyong

(Department of Power Engineering, Naval Submarine Academy, Qingdao 266000, China)

The effect of an original AC load on the DC side sudden short circuit current of double winding generator was studied by analyzing the physical conception and phasor diagram, the formula for calculating the short circuit current was simplified, the condition for calculating the maximum value of DC side short circuit current was given. The correctness of the theoretical analysis was verified by experiments.

double winding generator; DC side sudden short circuit; power factor; AC side load

孫俊忠(1965—)，男，博士研究生，教授，研究方向為電機過渡過程分析與電機設計。 王輝波(1982—)，男，碩士研究生，研究方向為船舶電力系統及其自動化。 周智勇(1972—)，男，博士研究生，研究方向為船舶電機及其控制。

TM 41

A

1673-6540(2017)04- 0112- 04

2016 -09 -19