副勵磁機接地短路故障仿真研究

楊 玲，云昌鋒

（1.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇省南京市 211106；2.華能洋浦熱電有限公司，海南省洋浦區 578101）

0 引言

三機無刷勵磁系統由主發電機、主勵磁機和副勵磁機組成，該系統中三個電機同軸相連，其中主勵磁機為主發電機提供勵磁電源，而副勵磁機作為主勵磁機的勵磁電源，當副勵磁機為電勵磁同步電機時，其勵磁電流由外電源提供；當為永磁電機時，則為永磁體提供勵磁[1]。

作為勵磁系統的重要組成部分，副勵磁機為交流無刷勵磁機提供勵磁電流，其性能及可靠性運行對整個機組的正常運行構成直接影響。

因此，副勵磁機的故障監測對于整個電廠的重要性毋庸置疑，早期對于電機主要進行狀態監測，通過監視和測量電機的運行狀態信息和特征如電流、振動、溫度等，以此來判斷電機的狀態是否正常，當特征參數小于允許值時便認為是正常，否則就異常。通常檢測結果不需要進一步分析和處理，僅以有限的指標來確定電機的運行狀態。目前對永磁機的匝間短路和相間短路已有一些研究，也有對副勵磁機的特性進行研究[2-7]，但缺少接地短路對系統的影響情況的研究。

本文利用MATLAB/SIMULINK搭建接地短路模型，詳細介紹接地短路故障的模型及仿真數據，利用接地短路時，機端將出現零序電壓或者負序電壓的原理[8]，準確識別接地短路故障發生位置。

1 副勵磁機接地短路故障仿真模型

1.1 測量原理

三相電網發生短路時將產生三相不對稱電壓，而任何不對稱的三相電壓都可以根據對稱分量法分解成正序、負序和零序三組分量[9]，其矢量表達式為：

（1）零序電壓過濾器

零序電壓過濾器由三個單相電壓互感器接成開口三角形構成，如圖1所示。模型中的具體的做法是互感器一次中心點通過電阻與電容并聯后接地。

圖1 零序電壓過濾器原理圖Figure 1 Schematic diagram of zero sequence voltage filter

（2）負序電壓過濾器

負序電壓過濾器的原理圖如圖2所示，采用阻容元件對電壓矢量作移相處理，電阻電容的參數應滿足：

圖2 負序電壓過濾器原理圖Figure 2 Schematic diagram of negative sequence voltage filter

由于三相零序電壓等值且同相位，當經過負序電壓過濾器后，過濾器輸出電壓mn=0。

圖2所示負序電壓過濾器的輸出電壓為：

1.2 接地短路故障仿真模型

根據以上原理，搭建相應的測量模塊。如圖3所示，仿真模型由永磁機（電源）、零序電壓測量Uk0、負序電壓測量Umn、交流側接地故障ABC-GND、轉子接地故障P-M-GND、可控硅整流、負載等組成。

圖3 接地短路故障仿真模型圖Figure 3 Simulation model diagram of grounding short circuit fault

各模塊的仿真參數如表1：要注意R1和R2阻值要適當，一般選擇數百歐姆。取值太小，則計算出的C1和C2的容量較大，從而會增大負序電壓過濾器的體積和功耗[10-11]。

表1 仿真參數Table 1 Simulation parameters

2 副勵磁機故障監測系統接地短路故障仿真數據

副勵磁機正常運行時，機端三相電壓是三相對稱的正序分量，沒有負序分量和零序分量。仿真波形圖中橫坐標時間（單位為s），縱坐標分別為電壓（單位V）及電流（單位A），如圖4所示，從上到下分別為交流側電壓ab、A相電流I˙、零序電壓k0和負序電壓mn。正常運行時，交流側電壓峰值維持在442V左右，尖峰電壓維持在582V左右，電流約為400A。零序電壓約為0V，負序電壓維持在1.25V左右。

圖4 正常運行仿真數據Figure 4 Normal operation simulation data

2.1 交流側接地故障

2.1.1 交流側單相接地

仿真條件：以A相接地為例，見圖6故障點①，接地時間：0.07s。

此時，交流側線電壓峰值由442V減小為330V左右，尖峰電壓由582V減小為450V左右，A相電流略有減小，不考慮。零序電壓由0V變為125V左右，負序電壓由1.25V變為110V左右，見圖5。

圖5 交流A相接地短路故障仿真數據Figure 5 Simulation data of phase A grounding short circuit fault

2.1.2 交流側兩相接地

仿真條件：A相、B相兩相接地，見圖6故障點①、②：B相接地時間為0.06s，A相接地時間為0.07s。

圖6 仿真結構圖及故障點Figure 6 Simulation structure diagram and fault points

B相接地，交流側線電壓峰值由442V減小為330V左右，尖峰電壓由582V減小為450V左右，零序電壓由0V變為125V左右，負序電壓由1.25V變為110V左右。0.01s后A相接地，交流側線電壓峰值由325V減小為218V左右，尖峰電壓由450V減小為288V左右，零序電壓維持125V左右，負序電壓維持110V左右，見圖7。

圖7 交流B、A相接地短路故障仿真數據Figure 7 Simulation data of phase B and A grounding short circuit fault

2.2 直流側正負接地故障

2.2.1 轉子正接地

轉子側正接地時，見圖6故障點③，零序電壓從零變化為0.05V左右，同時A相電流正向最大峰值變為原電流峰值4.6倍左右，見圖8。

圖8 轉子正接地短路故障仿真數據Figure 8 Simulation data of rotor positive grounding short circuit fault

2.2.2 轉子負接地

轉子側負接地時，圖6故障點④，零序電壓從零變化為0.05V左右，同時A相電流負向最大峰值變為原電流峰值4.6倍左右，見圖9。

圖9 轉子負接地短路故障仿真數據Figure 9 Simulation data of rotor negative ground short circuit fault

2.2.3 轉子正先接地轉子負后接地

仿真條件：轉子正接地時間，見圖6故障點③、④：0.06s，轉子負接地時間：0.07s。

由圖10仿真數據可知，只有轉子正接地時零序電壓從零變化為0.05V左右，同時A相電流正向最大峰值變為原電流峰值4.6倍左右，當轉子負也接地，零序電壓從0.05V左右變化為0.2V左右，同時A相電流正負向最大峰值均變為原電流峰值4.6倍左右。

圖10 轉子正負接地短路故障仿真數據Figure 10 Simulation data of rotor positive and negative grounding short circuit fault

2.3 交直流側接地故障

仿真條件：轉子正接地時間，圖6故障點③：0.06s，交流A相接地時間，圖6故障點①：0.07s。

由圖11可知，轉子正先接地，A相電流正向最大峰值變為原電流峰值4.6倍左右，然后交流A相接地短路故障，此時出現零序電壓和負序電壓。

圖11 轉子正、交流A相接地短路故障仿真數據Figure 11 Simulation data of rotor positive and phase A grounding short circuit fault

綜上，在永磁機定子端部出線增加零序電壓過濾器，通過零序電壓的變化判別交流側接地故障；通過副勵磁機機端電壓及機端電流變化可判別直流輸出正負極接地故障。

3 結束語

本文通過搭建副勵磁機、整流及負載模型及零序電壓、負序電壓測量模塊，分析出系統發生接地短路時，機端將出現零序電壓或者負序電壓，利用零序電壓過濾器及負序電壓過濾器可以識別接地短路故障。零序電壓增大時，電流如果基本不變化，則為本側接地故障；電流如果變化比相差1.2倍以上，則為勵磁側接地故障，為副勵磁機及其系統接地短路故障分析提供參考意見。