核電半速汽輪發電機單相短路時磁場特性分析

辛 鵬，劉亞丹

(吉林化工學院 信息與控制工程學院，吉林 吉林 132022)

隨著現代經濟的發展，電力需求與日俱增，發電機數量及單機容量亦隨之增大.機組的安全穩定運行問題日益突出.一旦某種原因造成發電機出口單相短路故障，若不及時切除，將有可能造成發電設備的損壞，嚴重時危及電網的安全穩定運行[1-4].因此，有必要對發電機單相短路時機組電磁特性進行研究.

目前，國內外學者對發電機短路故障做了大量研究.文獻[5]研究了永磁電機在單相、兩相對地、三相及單相匝間短路故障下永磁體的去磁特性.文獻[6]計算了發電機三相短路時轉子動態電磁力特征.文獻[7]對發電機機并網運行端短路時定子電流、電磁轉矩等電氣量的變化規律進行了計算.文獻[8]對雙饋感應發電機機端電壓跌落后的電磁暫態變化進行了分析，建立了機端電壓及勵磁電流的解析模型.文獻[9]采用多回路法對發電機啟動過程中，內部故障對發電機主要參數的影響進行了研究.

本文以一臺1407MVA大型核電半速汽輪發電機為研究對象，對發電機單機空載運行時出口發生單相短路進行了研究，對比了故障前后發電機磁場分布變化以及氣隙磁密的變化特征.

1 發電機有限元模型

假設：鐵芯材料磁導率各向同性，電機內的磁場為似穩場.忽略位移電流及定子鐵芯渦流損耗，則電機內二維瞬態場的邊值問題為：

(1)

式中：μ為磁導率；J為源電流密度；σ為電導率；A為矢量磁位；為定子外圓與轉子內圓邊界.

2 仿真建模及分析

本文以一臺1407MVA核電半速汽輪發電機單機空載為研究對象，建立了場-路耦合仿真模型.發電機主要參數如表1所示：核電機組剖分后有限元模型如圖1所示：

表1 核電半速汽輪發電機主要參數

圖1 核電機組截面圖

2.1 發電機正常運行時氣隙磁場

發電機空載穩定運行時，磁密云圖及氣隙磁密如圖2所示.

圖2 正?？蛰d時磁密云圖

2.2 發電機出口單相短路時氣隙磁場

在發電機穩定運行到1.5 s時，通過外電路設置，實現發電機A相對地短路，故障2.5 s后電機磁密云圖分布如圖3所示.

圖3 單相短路時磁密云圖

從圖3中可以看出，雖然發電機出口單相短路故障相對于電力系統而言屬于非對稱性故障，但對發電機而言，從繞組分布出發，該故障可認為是對稱性故障，因此，故障后發電機內部磁場分布仍對稱.

故障前后氣隙磁密分布及氣隙磁密諧波分解如圖4、圖5所示.

氣隙周長/m

f/Hz

通過圖4可以看出，受故障后短路電流的影響，故障后氣隙磁密波形明顯發生畸變.通過圖5可以看出，對比正常運行時氣隙磁密可知，故障后氣隙磁密基波分量明顯減小，而奇數次諧波分量增大.

3 結 論

本文采用有限元方法，對發電機出口發生單相短路故障時機組的磁場特性進行了仿真研究,研究結果表明：發電機單相短路時，發電機磁場分布仍具有對稱性；受短路電流影響，故障后氣隙磁密明顯畸變，通過對故障前后氣隙磁密分解，指出故障后氣隙磁密基波分量明顯減小，而奇數次諧波分量增大.