核電半速汽輪發(fā)電機(jī)單相短路時(shí)磁場(chǎng)特性分析

辛 鵬，劉亞丹

(吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院，吉林 吉林 132022)

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力需求與日俱增，發(fā)電機(jī)數(shù)量及單機(jī)容量亦隨之增大.機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題日益突出.一旦某種原因造成發(fā)電機(jī)出口單相短路故障，若不及時(shí)切除，將有可能造成發(fā)電設(shè)備的損壞，嚴(yán)重時(shí)危及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-4].因此，有必要對(duì)發(fā)電機(jī)單相短路時(shí)機(jī)組電磁特性進(jìn)行研究.

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)發(fā)電機(jī)短路故障做了大量研究.文獻(xiàn)[5]研究了永磁電機(jī)在單相、兩相對(duì)地、三相及單相匝間短路故障下永磁體的去磁特性.文獻(xiàn)[6]計(jì)算了發(fā)電機(jī)三相短路時(shí)轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)電磁力特征.文獻(xiàn)[7]對(duì)發(fā)電機(jī)機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行端短路時(shí)定子電流、電磁轉(zhuǎn)矩等電氣量的變化規(guī)律進(jìn)行了計(jì)算.文獻(xiàn)[8]對(duì)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓跌落后的電磁暫態(tài)變化進(jìn)行了分析，建立了機(jī)端電壓及勵(lì)磁電流的解析模型.文獻(xiàn)[9]采用多回路法對(duì)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，內(nèi)部故障對(duì)發(fā)電機(jī)主要參數(shù)的影響進(jìn)行了研究.

本文以一臺(tái)1407MVA大型核電半速汽輪發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)發(fā)電機(jī)單機(jī)空載運(yùn)行時(shí)出口發(fā)生單相短路進(jìn)行了研究，對(duì)比了故障前后發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)分布變化以及氣隙磁密的變化特征.

1 發(fā)電機(jī)有限元模型

假設(shè)：鐵芯材料磁導(dǎo)率各向同性，電機(jī)內(nèi)的磁場(chǎng)為似穩(wěn)場(chǎng).忽略位移電流及定子鐵芯渦流損耗，則電機(jī)內(nèi)二維瞬態(tài)場(chǎng)的邊值問(wèn)題為：

(1)

式中：μ為磁導(dǎo)率；J為源電流密度；σ為電導(dǎo)率；A為矢量磁位；為定子外圓與轉(zhuǎn)子內(nèi)圓邊界.

2 仿真建模及分析

本文以一臺(tái)1407MVA核電半速汽輪發(fā)電機(jī)單機(jī)空載為研究對(duì)象，建立了場(chǎng)-路耦合仿真模型.發(fā)電機(jī)主要參數(shù)如表1所示：核電機(jī)組剖分后有限元模型如圖1所示：

表1 核電半速汽輪發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

圖1 核電機(jī)組截面圖

2.1 發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)氣隙磁場(chǎng)

發(fā)電機(jī)空載穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，磁密云圖及氣隙磁密如圖2所示.

圖2 正?？蛰d時(shí)磁密云圖

2.2 發(fā)電機(jī)出口單相短路時(shí)氣隙磁場(chǎng)

在發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行到1.5 s時(shí)，通過(guò)外電路設(shè)置，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)A相對(duì)地短路，故障2.5 s后電機(jī)磁密云圖分布如圖3所示.

圖3 單相短路時(shí)磁密云圖

從圖3中可以看出，雖然發(fā)電機(jī)出口單相短路故障相對(duì)于電力系統(tǒng)而言屬于非對(duì)稱性故障，但對(duì)發(fā)電機(jī)而言，從繞組分布出發(fā)，該故障可認(rèn)為是對(duì)稱性故障，因此，故障后發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)分布仍對(duì)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(zhǎng)/m

f/Hz

通過(guò)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(fā)生畸變.通過(guò)圖5可以看出，對(duì)比正常運(yùn)行時(shí)氣隙磁密可知，故障后氣隙磁密基波分量明顯減小，而奇數(shù)次諧波分量增大.

3 結(jié) 論

本文采用有限元方法，對(duì)發(fā)電機(jī)出口發(fā)生單相短路故障時(shí)機(jī)組的磁場(chǎng)特性進(jìn)行了仿真研究,研究結(jié)果表明：發(fā)電機(jī)單相短路時(shí)，發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)分布仍具有對(duì)稱性；受短路電流影響，故障后氣隙磁密明顯畸變，通過(guò)對(duì)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(shù)次諧波分量增大.