大型水輪發(fā)電機(jī)機(jī)端短路故障研究

【摘要】本文主要針對大型水輪發(fā)電機(jī)機(jī)端短路故障進(jìn)行研究，分析其產(chǎn)生原因，類型以及發(fā)生故障時短路電流和電磁轉(zhuǎn)矩的變化，根據(jù)分析計算結(jié)果指導(dǎo)水輪發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】大型水輪發(fā)電機(jī)；短路故障；結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、前言

大型水輪發(fā)電機(jī)的機(jī)端短路故障，是電力系統(tǒng)中的典型的故障類型之一。其產(chǎn)生原因較多，缺乏規(guī)律性且偶然性大，影響范圍廣，對水輪發(fā)電機(jī)組及電網(wǎng)危害嚴(yán)重，因此在對電力系統(tǒng)的保護(hù)及電機(jī)設(shè)計中需要重點考慮。

2、機(jī)端短路故障的類型和成因

2.1 機(jī)端短路故障類型

水輪發(fā)電機(jī)的機(jī)端短路故障是指發(fā)生在發(fā)電機(jī)主引出線側(cè)封閉母線外部的短路故障，與發(fā)電機(jī)本體結(jié)構(gòu)無關(guān)。由于在封閉母線位置同相的各支路引線已經(jīng)合并，因此大型水輪發(fā)電機(jī)的機(jī)端短路故障不存在匝間短路，主要是相間短路。相比于發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路故障，機(jī)端短路故障具有影響范圍廣、危害性強(qiáng)、偶然性大的特點。發(fā)電機(jī)機(jī)端短路故障發(fā)生的位置可能出現(xiàn)在發(fā)電機(jī)的出線端，主變高壓側(cè)或是輸電線路之間。根據(jù)具體短路形式，分為三相短路，兩相短路和單相對中性點短路，各自對應(yīng)的簡化等效電路如圖1所示。

2.2 產(chǎn)生原因

機(jī)端短路故障多是由于電力系統(tǒng)中水輪發(fā)電機(jī)組以外的其他設(shè)備發(fā)生故障，或者安裝運行維護(hù)不當(dāng)以及人為因素的誤操作等原因所造成的；除此之外，系統(tǒng)中的某些突發(fā)事故也會引發(fā)水輪發(fā)電機(jī)機(jī)端短路故障，例如電線桿倒塌，雷擊，飛禽穿越相鄰導(dǎo)體等事故情況都可能引發(fā)機(jī)端短路故障。水輪發(fā)電機(jī)機(jī)端短路故障的產(chǎn)生原因較為復(fù)雜，缺乏規(guī)律性，并非單純的絕緣問題所造成，對于突發(fā)事故造成的短路偶然性極大。

3、機(jī)端短路故障工況特性分析

根據(jù)理論分析和實際工程經(jīng)驗，水輪發(fā)電機(jī)機(jī)端短路工況是機(jī)組各類型非正常運行工況中最危險的工況。由于突然短路瞬間，轉(zhuǎn)子閉合回路出現(xiàn)感應(yīng)電流，這時機(jī)端短路電流遇到的電抗為超瞬變電抗（有阻尼時），因此機(jī)端突然短路電流比穩(wěn)態(tài)短路電流大得多，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)部短路時的數(shù)值，此工況對機(jī)組結(jié)構(gòu)部件的機(jī)械性能要求也最高；如果機(jī)組結(jié)構(gòu)部件剛強(qiáng)度能夠滿足此工況條件下的性能要求，則在其他工況下，結(jié)構(gòu)也是安全的。

分析和計算大型水輪發(fā)電機(jī)機(jī)端短路工況下的動態(tài)特性時，可以使用場-路耦合時步有限元模型。這種模型不但能夠準(zhǔn)確的考慮磁場飽和、畸變等復(fù)雜的非線性因素的影響，同時還可以考慮發(fā)電機(jī)動態(tài)過程中的渦流集膚效應(yīng)。相比于PARK方程法，場-路耦合時步有限元法能夠詳細(xì)考慮電機(jī)的具體結(jié)構(gòu)和材料的非線性飽和特性對計算結(jié)果的影響，因此在研究大型水輪發(fā)電機(jī)機(jī)端短路特性的領(lǐng)域中，場-路耦合時步有限元法是目前最為先進(jìn)的方法之一。

利用場-路耦合時步有限元法分析和計算水輪發(fā)電機(jī)機(jī)端短路工況下的短路電流和電磁轉(zhuǎn)矩時，首先要根據(jù)發(fā)電機(jī)的實際結(jié)構(gòu)形式建立定、轉(zhuǎn)子局部的求解區(qū)域幾何模型見圖2

利用Ansoft軟件建立模型后，在確定機(jī)組額定容量，電壓，電流，各類直軸，交軸電抗以及勵磁電流，勵磁電壓等參數(shù)情況下，就可以得到不同類型機(jī)端短路故障情況下的電磁轉(zhuǎn)矩數(shù)值。根據(jù)工程經(jīng)驗，機(jī)端短路故障工況下的瞬時短路電流可以達(dá)到額定工況下數(shù)值的十幾倍甚至幾十倍，而電磁轉(zhuǎn)矩也可以達(dá)到額定工況下的數(shù)倍。巨大的電磁沖擊對于結(jié)構(gòu)部件的要求是很高的。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計的需要，必須對發(fā)電機(jī)主要結(jié)構(gòu)部件在短路工況下結(jié)構(gòu)部件的機(jī)械特性進(jìn)行研究，從而更加清晰、準(zhǔn)確的分析機(jī)端短路故障對水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)部件剛強(qiáng)度產(chǎn)生的影響和可能造成的危害，通過對機(jī)械特性分析的結(jié)果，為機(jī)組選擇合理的結(jié)構(gòu)形式。為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時引入了ANSYS有限元軟件對大型水輪發(fā)電機(jī)主要結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行建模分析。使用ANSYS有限元軟件對大型水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行建模，結(jié)合對機(jī)端短路工況下電磁轉(zhuǎn)矩和短路電流的分析結(jié)果，可以準(zhǔn)確分析結(jié)構(gòu)部件在各種機(jī)端短路故障工況下的應(yīng)力、變形、溫度、振動等方面的分布及變化情況。模型建立的越精確，邊界條件選取的越合理，所分析出的結(jié)果就越準(zhǔn)確。

建立水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)部件的三維模型，必須要嚴(yán)格按照機(jī)組的結(jié)構(gòu)形式以及部件之間的位置關(guān)系進(jìn)行；同時，要根據(jù)機(jī)組運行時的實際情況選擇模型的約束與邊界條件，只有這樣模型才能真實地反映結(jié)構(gòu)部件的應(yīng)力、變形以及振動等情況。

對于大型水輪發(fā)電機(jī)而言，機(jī)端短路工況下的電磁轉(zhuǎn)矩將作用于發(fā)電機(jī)的定子部分，此時定子部分的結(jié)構(gòu)部件受短路故障沖擊較大。考慮到定子鐵心是由無取向硅鋼片疊壓而成，片間壓緊后可以達(dá)到2MPa的效果，因此其特性近似為金屬實體，剛強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于與其連接的定子機(jī)座，通過大量的工程實際經(jīng)驗與有限元分析結(jié)果證明，短路工況下的電磁沖擊力不會對定子鐵心造成損壞或較大變形，而其外側(cè)定子機(jī)座在短路工況下的機(jī)械特性是設(shè)計人員在結(jié)構(gòu)選型和產(chǎn)品設(shè)計時需要重點考慮和分析的，因為短路工況下的應(yīng)力和變形值是否滿足要求是決定定子機(jī)座結(jié)構(gòu)形式的一條重要標(biāo)準(zhǔn)，水輪發(fā)電機(jī)定子機(jī)座的結(jié)構(gòu)形式必須要滿足短路工況下對其剛強(qiáng)度的要求。通常情況下，短路工況下的應(yīng)力及變形值都明顯高于額定工況時的數(shù)值，有時甚至達(dá)到額定工況數(shù)值的幾倍。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須要對機(jī)組在各類短路故障工況下的電磁和機(jī)械特性進(jìn)行分析，目的在于驗證所選結(jié)構(gòu)是否合理。如果所選結(jié)構(gòu)不能滿足機(jī)端短路工況下的要求，必須對結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)或優(yōu)化，確保機(jī)組在短路故障工況下的安全與穩(wěn)定。

4、總結(jié)

大型水輪發(fā)電機(jī)機(jī)端短路故障發(fā)生幾率雖然不高，但鑒于其危害的嚴(yán)重性，在保護(hù)系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須給予足夠的重視。正確的認(rèn)識機(jī)端短路故障，充分的了解其產(chǎn)生的危害與影響將有助于我們更好地進(jìn)行大型水輪發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。