同步發(fā)電機(jī)定子繞組短路故障瞬態(tài)過(guò)程電磁轉(zhuǎn)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(nèi)部短路故障后瞬態(tài)過(guò)程中電磁轉(zhuǎn)矩的變化特性，基于動(dòng)力學(xué)虛位移原理，對(duì)同步發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部匝間短路故障前以及故障后瞬態(tài)過(guò)程的電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了理論分析，研究了在振動(dòng)偏心影響下同步發(fā)電機(jī)定子內(nèi)部短路故障前后氣隙磁動(dòng)勢(shì)的變化特征，并得到了故障發(fā)生后瞬態(tài)過(guò)程中各頻率電磁轉(zhuǎn)矩分量的幅值和頻率特性。同時(shí)建立了動(dòng)模實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢?shí)驗(yàn)測(cè)量了一臺(tái)功率為30kVA的同步發(fā)電機(jī)不同短路故障下的電磁轉(zhuǎn)矩，并對(duì)其進(jìn)行頻譜分析，實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的準(zhǔn)確性。該結(jié)果為基于電磁轉(zhuǎn)矩的定子內(nèi)部故障診斷技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：同步發(fā)電機(jī);電磁轉(zhuǎn)矩;短路故障;氣隙磁勢(shì)

DOI：10.15938/j.jhust.2019.03.010

中圖分類(lèi)號(hào)： TM315

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 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(wǎng)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展和同步發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的不斷增大，人們對(duì)發(fā)電機(jī)的安全可靠運(yùn)行提出了越來(lái)越高的要求。同步發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，其主要構(gòu)件受到溫度、應(yīng)力以及機(jī)械振動(dòng)等環(huán)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(fā)生短路故障。目前，定子繞組匝間短路故障已經(jīng)成為同步發(fā)電機(jī)最普遍的故障之一（占故障總數(shù)的39%）[1]。此類(lèi)故障一旦發(fā)生若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)并停止機(jī)組運(yùn)行，將會(huì)引起機(jī)組強(qiáng)烈振動(dòng)和定子接地故障，甚至燒毀定子繞組，給機(jī)組帶來(lái)難以估量的損失。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部故障后的電機(jī)參數(shù)進(jìn)行了大量而深入的研究，包括發(fā)電機(jī)的電壓、電流、功率、徑向力、振動(dòng)以及溫度等等。如文[2]基于多回路數(shù)學(xué)模型，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部故障的穩(wěn)態(tài)電流進(jìn)行仿真計(jì)算，并進(jìn)一步分析不同故障下的穩(wěn)態(tài)電流特性。文[3]采用單一繞組分析和有限元分析相結(jié)合的方法，分析了不同短路位置下最大短路電流時(shí)的磁場(chǎng)分布，同時(shí)研究了電流、徑向力和轉(zhuǎn)矩與故障位置和匝數(shù)的關(guān)系。文[4]采用有限元法研究了異步發(fā)電機(jī)定子匝間短路故障后相電流的負(fù)序特性參數(shù)，分析了故障后負(fù)序電流隨著短路匝數(shù)的變化情況。文[5-6]提出了dq0坐標(biāo)系與繞組函數(shù)相結(jié)合的混合故障仿真模型，基于此模型對(duì)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(jìn)行計(jì)算。文[7]主要分析了定子繞組匝間短路對(duì)發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)的影響，得到了作用于轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子振動(dòng)特征。文[8]得出了內(nèi)部故障發(fā)生后穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩中的脈沖轉(zhuǎn)矩分量幅值和頻率的變化特征，以及故障后發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的故障特征。文[9]研究了汽輪發(fā)電機(jī)定子匝間短路故障下的并聯(lián)支路環(huán)流參數(shù)，并進(jìn)一步分析了短路故障的發(fā)展對(duì)定子繞組支路環(huán)流參數(shù)產(chǎn)生的影響。

分析上述文獻(xiàn)可以看出，目前大部分學(xué)者對(duì)同步發(fā)電機(jī)定子匝間短路所做的研究都是針對(duì)故障后穩(wěn)態(tài)過(guò)程中的電機(jī)參數(shù)特征。然而，同步發(fā)電機(jī)故障后瞬態(tài)過(guò)程中的氣隙磁場(chǎng)畸變程度更加嚴(yán)重，這一過(guò)程中的電機(jī)參數(shù)特征往往要比穩(wěn)態(tài)過(guò)程中更為顯著。而且在工程實(shí)踐中，大型機(jī)組更要求在故障后瞬態(tài)過(guò)程中就能夠準(zhǔn)確地診斷出機(jī)組故障，以便快速地實(shí)施繼電保護(hù)，防止損失變大。因此，同步發(fā)電機(jī)定子繞組故障后瞬態(tài)過(guò)程中電機(jī)參數(shù)的特性與規(guī)律的研究對(duì)于同步發(fā)電機(jī)定子繞組故障的快速監(jiān)測(cè)與診斷是非常有意義的。文[10]定量地分析了汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路故障后瞬態(tài)過(guò)程中電磁轉(zhuǎn)矩的幅頻特性，并進(jìn)一步研究短路匝數(shù)和短路位置對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響，但沒(méi)有對(duì)定子繞組匝間短路故障瞬態(tài)過(guò)程中改變電磁轉(zhuǎn)矩特性的機(jī)理進(jìn)行深入分析。本文從考慮發(fā)電機(jī)的振動(dòng)偏心引起的磁導(dǎo)出發(fā)，對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)定子繞組內(nèi)部匝間故障前以及故障后瞬態(tài)過(guò)程中的電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了理論分析，并對(duì)一臺(tái)6極30kVA的同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行離散頻譜分析，證明理論分析的準(zhǔn)確性。

1 同步發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩分析

同步發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，氣隙磁場(chǎng)是由定子電樞繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)合成的，氣隙磁動(dòng)勢(shì)由定子磁動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)組成，即[11]：

對(duì)比式（5）和式（15）可以看出，考慮振動(dòng)偏心影響的發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部短路故障瞬態(tài)過(guò)程中電機(jī)將產(chǎn)生基頻電磁轉(zhuǎn)矩，二倍基頻電磁轉(zhuǎn)矩，三倍基頻電磁轉(zhuǎn)矩以及四倍基頻電磁轉(zhuǎn)矩，而且各個(gè)基頻電磁轉(zhuǎn)矩分量的大小取決于各次磁動(dòng)勢(shì)的幅值、定轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)軸線的夾角以及轉(zhuǎn)子振動(dòng)的位移。若不考振動(dòng)偏心的影響，發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路故障瞬態(tài)過(guò)程中，四種基頻的電磁轉(zhuǎn)矩分量依然存在。

3 同步發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c電磁轉(zhuǎn)矩分析

3.1 同步發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

本文以動(dòng)模試驗(yàn)室的6極30kVA隱極同步發(fā)

電機(jī)為研究對(duì)象，在該機(jī)組上進(jìn)行定子匝間短路故障模擬實(shí)驗(yàn)，隱極同步發(fā)電機(jī)的參數(shù)如表1所示。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采樣是由U60116C型數(shù)據(jù)采集器完成的，采樣頻率設(shè)為10kHz。圖2為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒泳€圖，圖中G表示同步發(fā)電機(jī)，定子每相各有兩個(gè)支路;TR表示三相變壓器;L表示線路;S表示無(wú)窮大電網(wǎng);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(nèi)部短路故障。同步發(fā)電機(jī)定子繞組使用三個(gè)抽頭，分別為靠近中性點(diǎn)側(cè)的2%處，10%處以及 20%處，在兩抽頭之間連接一個(gè)外部開(kāi)關(guān)，通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)的關(guān)斷來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬定子繞組內(nèi)部短路故障的目的。

3.2 定子繞組內(nèi)部短路故障瞬態(tài)過(guò)程中電磁轉(zhuǎn)矩分析

同步發(fā)電機(jī)半載并網(wǎng)運(yùn)行，相電壓有效值UΦ=230 V，相電流有效值IΦ=21.65 A。對(duì)實(shí)驗(yàn)電機(jī)進(jìn)行定子內(nèi)部短路故障實(shí)驗(yàn)，短路匝數(shù)比值分別為為8%，10%和18%三種（這里所說(shuō)的匝數(shù)比值意為短路匝數(shù)與支路總匝數(shù)的比值）。采用數(shù)據(jù)采集器對(duì)電壓，各支路電流進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，電磁轉(zhuǎn)矩由經(jīng)軟件濾波后的電壓、電流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求得，假設(shè)整個(gè)過(guò)程中電樞內(nèi)電阻不變。

圖3給出了同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)半載狀況下，正常運(yùn)行時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩波形。圖4～圖6分別給出了同步發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行以及定子繞組A相第一支路三種不同短路故障下瞬態(tài)過(guò)程中的電磁轉(zhuǎn)矩波形，其中三種短路故障匝數(shù)比值依次為8%，10%和18%。

表2給出了正常運(yùn)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(zhuǎn)矩分量的幅值。

從圖3到圖6可以看出，同步發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩雖有脈振，但是脈振程度不是很明顯。由于內(nèi)部短路故障引起氣隙磁場(chǎng)畸變致使電磁轉(zhuǎn)矩的脈振程度發(fā)生了變化，在短路后的瞬態(tài)過(guò)程中，電磁轉(zhuǎn)矩不但發(fā)生劇烈變化，而且在周期上也不同于正常運(yùn)行時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩。從圖7到圖10的頻譜分析可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致內(nèi)部短路故障后暫態(tài)過(guò)渡過(guò)程中電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生劇烈變化的原因在于故障后瞬態(tài)過(guò)程中出現(xiàn)基頻電磁轉(zhuǎn)矩、二倍基頻電磁轉(zhuǎn)矩、三倍基頻電磁轉(zhuǎn)矩分量以及四倍頻電磁轉(zhuǎn)矩分量。正如前文中分析所示，故障回路環(huán)流所引發(fā)的脈振磁場(chǎng)產(chǎn)生的脈振磁動(dòng)勢(shì)在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出基頻附加電勢(shì)與二倍頻附加電勢(shì)等諧波電勢(shì)，這些電勢(shì)使轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組電流發(fā)生變化，其與定子繞組相互作用產(chǎn)生的氣隙合成磁場(chǎng)也會(huì)發(fā)生變化，在故障后瞬態(tài)過(guò)程中產(chǎn)生了基頻電磁轉(zhuǎn)矩、二倍頻電磁轉(zhuǎn)矩和三倍頻電磁轉(zhuǎn)矩等分量。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，同步發(fā)電機(jī)發(fā)生內(nèi)部故障后的瞬態(tài)過(guò)程中恒定轉(zhuǎn)矩減小，其原因在于定子繞組發(fā)生內(nèi)部短路故障后，氣隙磁場(chǎng)由圓形磁場(chǎng)變?yōu)闄E圓形的氣隙磁場(chǎng)，使得產(chǎn)生的恒定轉(zhuǎn)矩減小。圖7～圖10中四種頻率電磁轉(zhuǎn)矩頻譜分析儀驗(yàn)證了故障后瞬態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩理論推導(dǎo)與分析的正確性。從表2可以得出，對(duì)于并網(wǎng)運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)，定子繞組短路故障后的瞬態(tài)過(guò)程中，二倍基頻電磁轉(zhuǎn)矩分量的變化相對(duì)較大，其次是基頻電磁轉(zhuǎn)矩。隨著短路匝數(shù)的增加，基頻與二倍頻電磁轉(zhuǎn)矩分量也隨之增大。在短路匝數(shù)接近1/5的情況下，二倍基頻電磁轉(zhuǎn)矩已經(jīng)達(dá)到正常運(yùn)行時(shí)恒定轉(zhuǎn)矩的30.09%，基頻電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到正常運(yùn)行時(shí)恒定轉(zhuǎn)矩的7.64%。由于凸極效應(yīng)引發(fā)平均磁導(dǎo)率中的磁導(dǎo)系數(shù)a1與a2很小，所以四種頻率中三倍基頻電磁轉(zhuǎn)矩與四倍基頻電磁轉(zhuǎn)矩相對(duì)較小。在工程應(yīng)用中，選取基頻電磁轉(zhuǎn)矩與二倍頻電磁轉(zhuǎn)矩作為同步發(fā)電機(jī)定子內(nèi)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(jiān)測(cè)與保護(hù)中具有很大的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 論

針對(duì)同步發(fā)電機(jī)定子匝間短路后瞬態(tài)過(guò)程中電磁轉(zhuǎn)矩的特性問(wèn)題，在考慮偏心影響的前提下，建立了發(fā)電機(jī)故障后瞬態(tài)過(guò)程中電磁轉(zhuǎn)矩的解析模型和動(dòng)模實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄟ^(guò)理論與實(shí)驗(yàn)分析，得出如下結(jié)論：

1）同步發(fā)電機(jī)定子內(nèi)部短路故障發(fā)生后，在瞬態(tài)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)基頻、二倍基頻、三倍基頻等電磁轉(zhuǎn)矩分量，各個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩分量的大小取決于各次諧波磁動(dòng)勢(shì)的幅值、定轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)軸線的夾角以及轉(zhuǎn)子振動(dòng)的位移。

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

3）同步發(fā)電機(jī)定子內(nèi)部短路故障瞬態(tài)過(guò)程中電磁轉(zhuǎn)矩特性的分析，加深了同步發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障與電磁轉(zhuǎn)矩之間的理論研究，為電磁轉(zhuǎn)矩作為監(jiān)測(cè)同步發(fā)電機(jī)繞組內(nèi)部故障的故障特征量奠定理論基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] IEEE recommended practice for the design of reliable industrial and commenrcial power systems， IEEE std. 493-2007， 2007.

[2] 胡敏強(qiáng)，屠黎明，林鶴云，等.水輪發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部故障穩(wěn)態(tài)電量仿真及其規(guī)律探討[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，1999，19（5）：3.

[3] 葉志軍，游佰強(qiáng)，ROSENDAHL J，等.基于FLUX 2D的大型同步發(fā)電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)定子繞組匝間短路故障特性研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（3）：125.

[4] 馬宏志，張志艷，張志新，等.雙饋異步發(fā)電機(jī)定子匝間短路故障診斷研究[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2011，15（11）：60.

[5] SIVAKUMAR N， PANDA S K， BHANGU B， et al.Dynamic Model of Brushless Synchronous Generator with Turntoturn Short Circuit Fault for Condition Monitoring[J].Proc. IEEE ECCE Asia， 2013： 258.

[6] SIVAKUMAR N， PANDA S K， BHANGU B， et al.Hybrid model for woundrotor synchronous generator to detect and diagnose turntoturn shortcircuit fault in stator winding[J]. IEEE transactions on industry electronics，2015， 62（3）：1888.

[7] 萬(wàn)書(shū)亭，李和明，許兆鳳，等.定子繞組匝間短路對(duì)發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)特性的影響[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24（4）：157.

[8] 方紅偉，夏長(zhǎng)亮，修杰，等.定子繞組匝間短路時(shí)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27（15）：83.

[9] 何玉靈，萬(wàn)書(shū)亭，唐貴基，等.定子匝間短路對(duì)發(fā)電機(jī)并聯(lián)支路環(huán)流特性的影響[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2013，17（3）：1.

[10]趙洪森，戈寶軍，陶大軍，等.定子繞組匝間短路對(duì)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩特性的影響[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2016，31（5）：192.

[11]邱家俊.機(jī)電分析動(dòng)力學(xué)[M].北京：科學(xué)技術(shù)出版社，1992.

[12]邱家俊，陳貫青，劉云川.大型水輪發(fā)電機(jī)組不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行時(shí)的參、強(qiáng)聯(lián)合共振研究[J].黃淮學(xué)刊，1998，14（4）：1.

[13]陶大軍，戈寶軍，董傳友，等.發(fā)電機(jī)SFC 起動(dòng)強(qiáng)迫環(huán)流過(guò)程磁場(chǎng)特性[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2014，18（1）：26.

（編輯：關(guān) 毅）