同步發電機定子繞組短路故障瞬態過程電磁轉矩特性分析

陳超　趙洪森　陳小元　戈寶軍

摘 要：為了研究定子內部短路故障后瞬態過程中電磁轉矩的變化特性，基于動力學虛位移原理，對同步發電機定子繞組內部匝間短路故障前以及故障后瞬態過程的電磁轉矩進行了理論分析，研究了在振動偏心影響下同步發電機定子內部短路故障前后氣隙磁動勢的變化特征，并得到了故障發生后瞬態過程中各頻率電磁轉矩分量的幅值和頻率特性。同時建立了動模實驗模型，實驗測量了一臺功率為30kVA的同步發電機不同短路故障下的電磁轉矩，并對其進行頻譜分析，實驗分析結果驗證了理論推導的準確性。該結果為基于電磁轉矩的定子內部故障診斷技術提供了理論基礎。

關鍵詞：同步發電機;電磁轉矩;短路故障;氣隙磁勢

DOI：10.15938/j.jhust.2019.03.010

中圖分類號： TM315

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2019）03-0059-07

Abstract：In order to study the change characteristics of electromagnetic torque in the transient process of stator internal short circuit fault， based on virtual work principle in dynamic， the electromagnetic torque of transient process after stator winding interturn short circuit fault in synchronous generator is analyzed theoretically. The airgap magnetomotive forces variation characteristics of the generator before and after short circuit fault in stator winding are studied， while considering the impact of vibration eccentricity. The magnitudes and frequency variation characteristics of the electromagnetic torque component of each frequency after short circuit fault are obtained. Then a dynamic simulation experiment model is built. The electromagnetic torque data of the 30kVA synchronous generator with different stator winding interturn short circuit faults is tested. After that， these data are analyzed with Discrete Fast Fourier Transform technique， and the test results verify the theoretical analysis conclusion. The research results provide a theoretical basis for the internal fault diagnosis technology based on the electromagnetic torque.

Keywords：synchronous generator; electromagnetic torque; short circuit fault; airgap magnetomotive forces

0 引 言

隨著電網產業的迅速發展和同步發電機單機容量的不斷增大，人們對發電機的安全可靠運行提出了越來越高的要求。同步發電機正常運行時，其主要構件受到溫度、應力以及機械振動等環境因素的影響，致使定子繞組絕緣不斷老化、變形以至破損，最終致使定子繞組發生短路故障。目前，定子繞組匝間短路故障已經成為同步發電機最普遍的故障之一（占故障總數的39%）[1]。此類故障一旦發生若不及時發現并停止機組運行，將會引起機組強烈振動和定子接地故障，甚至燒毀定子繞組，給機組帶來難以估量的損失。

近年來，國內外的學者對發電機定子繞組內部故障后的電機參數進行了大量而深入的研究，包括發電機的電壓、電流、功率、徑向力、振動以及溫度等等。如文[2]基于多回路數學模型，對水輪發電機定子繞組內部故障的穩態電流進行仿真計算，并進一步分析不同故障下的穩態電流特性。文[3]采用單一繞組分析和有限元分析相結合的方法，分析了不同短路位置下最大短路電流時的磁場分布，同時研究了電流、徑向力和轉矩與故障位置和匝數的關系。文[4]采用有限元法研究了異步發電機定子匝間短路故障后相電流的負序特性參數，分析了故障后負序電流隨著短路匝數的變化情況。文[5-6]提出了dq0坐標系與繞組函數相結合的混合故障仿真模型，基于此模型對不同故障程度下相電壓的三次諧波與三次諧波的正序分量進行計算。文[7]主要分析了定子繞組匝間短路對發電機定轉子徑向振動的影響，得到了作用于轉子的不平衡電磁力特征和作用于定子的脈振電磁力特性以及定轉子振動特征。文[8]得出了內部故障發生后穩態電磁轉矩中的脈沖轉矩分量幅值和頻率的變化特征，以及故障后發電機轉子勵磁電流的故障特征。文[9]研究了汽輪發電機定子匝間短路故障下的并聯支路環流參數，并進一步分析了短路故障的發展對定子繞組支路環流參數產生的影響。

分析上述文獻可以看出，目前大部分學者對同步發電機定子匝間短路所做的研究都是針對故障后穩態過程中的電機參數特征。然而，同步發電機故障后瞬態過程中的氣隙磁場畸變程度更加嚴重，這一過程中的電機參數特征往往要比穩態過程中更為顯著。而且在工程實踐中，大型機組更要求在故障后瞬態過程中就能夠準確地診斷出機組故障，以便快速地實施繼電保護，防止損失變大。因此，同步發電機定子繞組故障后瞬態過程中電機參數的特性與規律的研究對于同步發電機定子繞組故障的快速監測與診斷是非常有意義的。文[10]定量地分析了汽輪發電機定子繞組匝間短路故障后瞬態過程中電磁轉矩的幅頻特性，并進一步研究短路匝數和短路位置對電磁轉矩的影響，但沒有對定子繞組匝間短路故障瞬態過程中改變電磁轉矩特性的機理進行深入分析。本文從考慮發電機的振動偏心引起的磁導出發，對發電機運行時定子繞組內部匝間故障前以及故障后瞬態過程中的電磁轉矩進行了理論分析，并對一臺6極30kVA的同步發電機并網運行時的電磁轉矩數據進行離散頻譜分析，證明理論分析的準確性。

1 同步發電機正常運行時的電磁轉矩分析

同步發電機正常運行時，氣隙磁場是由定子電樞繞組產生的磁場與轉子勵磁繞組產生的磁場合成的，氣隙磁動勢由定子磁動勢和轉子磁動勢組成，即[11]：

對比式（5）和式（15）可以看出，考慮振動偏心影響的發電機定子繞組內部短路故障瞬態過程中電機將產生基頻電磁轉矩，二倍基頻電磁轉矩，三倍基頻電磁轉矩以及四倍基頻電磁轉矩，而且各個基頻電磁轉矩分量的大小取決于各次磁動勢的幅值、定轉子磁動勢軸線的夾角以及轉子振動的位移。若不考振動偏心的影響，發電機內部短路故障瞬態過程中，四種基頻的電磁轉矩分量依然存在。

3 同步發電機實驗模型與電磁轉矩分析

3.1 同步發電機實驗模型

本文以動模試驗室的6極30kVA隱極同步發

電機為研究對象，在該機組上進行定子匝間短路故障模擬實驗，隱極同步發電機的參數如表1所示。

實驗數據采樣是由U60116C型數據采集器完成的，采樣頻率設為10kHz。圖2為實驗模型接線圖，圖中G表示同步發電機，定子每相各有兩個支路;TR表示三相變壓器;L表示線路;S表示無窮大電網;TA26-1表示定子三相第一支路的電流互感器;TA26-2表示定子三相第二支路的電流互感器;TV表示電壓互感器;K1表示定子內部短路故障。同步發電機定子繞組使用三個抽頭，分別為靠近中性點側的2%處，10%處以及 20%處，在兩抽頭之間連接一個外部開關，通過調節開關的關斷來實現模擬定子繞組內部短路故障的目的。

3.2 定子繞組內部短路故障瞬態過程中電磁轉矩分析

同步發電機半載并網運行，相電壓有效值UΦ=230 V，相電流有效值IΦ=21.65 A。對實驗電機進行定子內部短路故障實驗，短路匝數比值分別為為8%，10%和18%三種（這里所說的匝數比值意為短路匝數與支路總匝數的比值）。采用數據采集器對電壓，各支路電流進行數據采樣，電磁轉矩由經軟件濾波后的電壓、電流實驗數據求得，假設整個過程中電樞內電阻不變。

圖3給出了同步發電機并網半載狀況下，正常運行時的電磁轉矩波形。圖4～圖6分別給出了同步發電機正常運行以及定子繞組A相第一支路三種不同短路故障下瞬態過程中的電磁轉矩波形，其中三種短路故障匝數比值依次為8%，10%和18%。

表2給出了正常運行及上述3種故障下的基頻，二倍基頻，三倍基頻，四倍基頻以及恒定電磁轉矩分量的幅值。

從圖3到圖6可以看出，同步發電機在正常運行時，電磁轉矩雖有脈振，但是脈振程度不是很明顯。由于內部短路故障引起氣隙磁場畸變致使電磁轉矩的脈振程度發生了變化，在短路后的瞬態過程中，電磁轉矩不但發生劇烈變化，而且在周期上也不同于正常運行時的電磁轉矩。從圖7到圖10的頻譜分析可以發現，導致內部短路故障后暫態過渡過程中電磁轉矩發生劇烈變化的原因在于故障后瞬態過程中出現基頻電磁轉矩、二倍基頻電磁轉矩、三倍基頻電磁轉矩分量以及四倍頻電磁轉矩分量。正如前文中分析所示，故障回路環流所引發的脈振磁場產生的脈振磁動勢在轉子繞組中感應出基頻附加電勢與二倍頻附加電勢等諧波電勢，這些電勢使轉子勵磁繞組電流發生變化，其與定子繞組相互作用產生的氣隙合成磁場也會發生變化，在故障后瞬態過程中產生了基頻電磁轉矩、二倍頻電磁轉矩和三倍頻電磁轉矩等分量。同時還可以發現，同步發電機發生內部故障后的瞬態過程中恒定轉矩減小，其原因在于定子繞組發生內部短路故障后，氣隙磁場由圓形磁場變為橢圓形的氣隙磁場，使得產生的恒定轉矩減小。圖7～圖10中四種頻率電磁轉矩頻譜分析儀驗證了故障后瞬態電磁轉矩理論推導與分析的正確性。從表2可以得出，對于并網運行的同步發電機，定子繞組短路故障后的瞬態過程中，二倍基頻電磁轉矩分量的變化相對較大，其次是基頻電磁轉矩。隨著短路匝數的增加，基頻與二倍頻電磁轉矩分量也隨之增大。在短路匝數接近1/5的情況下，二倍基頻電磁轉矩已經達到正常運行時恒定轉矩的30.09%，基頻電磁轉矩達到正常運行時恒定轉矩的7.64%。由于凸極效應引發平均磁導率中的磁導系數a1與a2很小，所以四種頻率中三倍基頻電磁轉矩與四倍基頻電磁轉矩相對較小。在工程應用中，選取基頻電磁轉矩與二倍頻電磁轉矩作為同步發電機定子內部短路故障的故障特征量能夠有效的反映出故障情況，在故障的監測與保護中具有很大的優勢。

4 結 論

針對同步發電機定子匝間短路后瞬態過程中電磁轉矩的特性問題，在考慮偏心影響的前提下，建立了發電機故障后瞬態過程中電磁轉矩的解析模型和動模實驗模型，通過理論與實驗分析，得出如下結論：

1）同步發電機定子內部短路故障發生后，在瞬態過程中會出現基頻、二倍基頻、三倍基頻等電磁轉矩分量，各個電磁轉矩分量的大小取決于各次諧波磁動勢的幅值、定轉子磁動勢軸線的夾角以及轉子振動的位移。

2）在短路故障后瞬態過程中，基頻與二倍頻電磁轉矩分量變化較為明顯，隨著對短路匝數比值的增加，基頻與二倍頻電磁轉矩分量也隨之增大，作為定子內部短路故障特征量可以有效的表征出故障情況。

3）同步發電機定子內部短路故障瞬態過程中電磁轉矩特性的分析，加深了同步發電機內部故障與電磁轉矩之間的理論研究，為電磁轉矩作為監測同步發電機繞組內部故障的故障特征量奠定理論基礎。

參 考 文 獻：

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（編輯：關 毅）