水輪發(fā)電機勵磁繞組匝間短路時的磁場諧波特征研究

辛 鵬,沈 航**,吳永峰

(1.吉林化工學院 信息與控制工程學院,吉林 吉林 132022;2.吉林石化公司,吉林 吉林 132022)

勵磁繞組匝間短路作為水輪發(fā)電機的常見電氣故障,其發(fā)生時會使勵磁磁動勢發(fā)生畸變,磁動勢局部損失[1-2],勵磁電流增大,輸出無功功率減小,嚴重時造成機組振動超標,轉(zhuǎn)子繞組燒損等問題[3],甚至威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。勵磁繞組匝間短路在前期發(fā)生時對機組影響較小,難以檢測。因此,勵磁繞組匝間短路故障時的磁場諧波研究對故障早期預(yù)警及診斷具有重大意義。

近年來,國內(nèi)外學者對勵磁繞組匝間短路故障進行了大量的研究,并取得了豐富的成果。文獻[4]提出在電機停機和啟動瞬態(tài)下的凸機電機勵磁故障監(jiān)測方法。文獻[5]根據(jù)同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)特點和電磁感應(yīng)關(guān)系,提出了一種用螺桿代替?zhèn)鞲衅鲗D(zhuǎn)子繞組匝間短路故障進行在線診斷的方法,并利用場-路耦合有限元模型驗證了此無傳感器檢測方法的有效性。文獻[6]以核電m相環(huán)形無刷勵磁機為研究對象,通過分析轉(zhuǎn)子繞組短路時定、轉(zhuǎn)子的磁動勢及其相互作用,得到故障時定、轉(zhuǎn)子電流的諧波特性。文獻[7]提出了一種將雜散磁通信號與起動電流相結(jié)合的方法,用于勵磁繞組故障的檢測。文獻[8]得到定子繞組形式對勵磁繞組匝間短路時定子分支環(huán)流大小和勵磁電流諧波特性都有較大影響的結(jié)論。文獻[9]提出了發(fā)電機勵磁繞組匝間短路后,定子支路的各次諧波電流均隨著短路匝數(shù)的增加而增大,并且增長率也隨著短路匝數(shù)的增加而增大的故障特征。文獻[10]通過機理研究,公式推導,揭示了轉(zhuǎn)子極對數(shù)與勵磁繞組匝間短路故障后定子分支環(huán)流諧波次數(shù)之間的關(guān)系。

上述文獻對發(fā)電機勵磁繞組匝間短路故障進行了深入的研究,并取得了一定的研究成果。然而從現(xiàn)有文獻看,關(guān)于水輪發(fā)電機勵磁繞組匝間短路故障的相關(guān)研究相對較少。本文詳細推導了水輪發(fā)電機正常和勵磁繞組匝間短路故障時的勵磁磁動勢表達式,分析了故障發(fā)生時的氣隙磁場變化。以一臺10對極的水輪發(fā)電機為研究對象,建立其二維有限元仿真模型并進行勵磁繞組匝間短路故障仿真,得到故障發(fā)生后的氣隙磁場變化特征。

1 勵磁磁動勢

1.1 正常運行時勵磁磁動勢

水輪發(fā)電機是凸極電機,其勵磁繞組的繞組形式為集中繞組。將主磁極產(chǎn)生的磁動勢沿著定子內(nèi)表面展開,將坐標原點置于磁極軸線上,可得到一正負相間的矩形波。假設(shè)第一個磁極為N極,勵磁繞組磁動勢展開示意圖如圖1所示。

圖1 正常運行時勵磁磁動勢示意圖

設(shè)轉(zhuǎn)子每個磁極匝數(shù)為N匝,空載勵磁電流為if0,則勵磁繞組產(chǎn)生的磁動勢表達式為

(1)

k=0,1,2,3…p-1,

對式(1)進行傅里葉級數(shù)形式分解,可得空載運行時勵磁繞組產(chǎn)生的磁動勢傅里葉級數(shù)形式為

(2)

1.2 故障后勵磁磁動勢

勵磁繞組匝間短路將會導致勵磁磁動勢局部損失,產(chǎn)生的磁場變化可用一附加反向磁動勢來表示,即故障后的磁動勢可視為正常運行時勵磁磁動勢與短路匝產(chǎn)生的反向磁動勢的疊加,此反向磁動勢相當于短路匝通以反向勵磁電流產(chǎn)生的磁動勢。圖2為故障后勵磁磁動勢空間分布圖。

(a) 正常運行時勵磁磁動勢空間分布

設(shè)Nd為短路匝數(shù),ifd為故障時勵磁電流。假設(shè)第n極發(fā)生Nd匝線圈短路故障,則故障后短路匝繞組產(chǎn)生的反向磁動勢表達式為

(3)

將短路匝產(chǎn)生的反向磁動勢在2pπ周期內(nèi)進行傅里葉級數(shù)分解,通過疊加,可得故障后水輪發(fā)電機勵磁繞組產(chǎn)生的空載磁動勢基波及奇數(shù)次諧波表達式、偶數(shù)次諧波表達式、分數(shù)次諧波表達式為

(4)

Fd(2k)(θ)=0k=1,2,3… ,

(5)

(6)

由式(4)～(6)可知,當水輪發(fā)電機發(fā)生勵磁繞組匝間短路故障后,故障后勵磁磁動勢中只存在基波、奇數(shù)次諧波分量和分數(shù)次諧波分量,并不存在偶數(shù)次諧波分量。且產(chǎn)生的基波和奇數(shù)次諧波分量與發(fā)生故障的磁極位置n無關(guān),分數(shù)次諧波分量與發(fā)生故障的磁極位置n有關(guān)。發(fā)生故障的磁極位置不會影響故障后勵磁磁動勢的分數(shù)次諧波幅值大小,但會影響故障后勵磁磁動勢的分數(shù)次諧波的相位。

2 氣隙磁密

在不考慮齒、槽影響的前提下氣隙導磁系數(shù)[11]可以表示為

(7)

因此,氣隙磁密為

(8)

將式(2)代入式(8),可得到水輪發(fā)電機正常運行的氣隙磁密為

(9)

將式(4)和式(6)代入式(8),可得到故障時的氣隙磁密為

(10)

其中,Bd為故障后的氣隙磁密;Fd為故障后的勵磁磁動勢。對比故障前后的勵磁磁動勢,即對比式(9)和式(10)可知,氣隙導磁系數(shù)周期變化且不為0,當水輪發(fā)電機正常運行時勵磁磁動勢中只含有奇數(shù)次諧波,當電角度θ=(2v-1)π/2(v=1,2,3…)時,正常運行時的氣隙磁密為0。當水輪發(fā)電機發(fā)生勵磁繞組匝間短路故障時,電角度θ=(2v-1)π/2(v=1,2,3…)時,勵磁磁動勢奇數(shù)次諧波為0,但勵磁磁動勢分數(shù)次諧波不為0,此時的氣隙磁密不為0。

3 仿真建模及分析

為驗證本文理論推導的正確性,以一并聯(lián)支路數(shù)為4的水輪發(fā)電機為研究對象,水輪發(fā)電機基本參數(shù)見表1。

表1水輪發(fā)電機主要參數(shù)

結(jié)合水輪發(fā)電機相關(guān)參數(shù),利用有限元軟件ANSYS Maxwell建立該水輪發(fā)電機的有限元仿真模型,如圖3所示。

圖3 水輪發(fā)電機的有限元仿真模型圖

通過外電路設(shè)置實現(xiàn)勵磁繞組匝間短路故障,使用壓控開關(guān)對短路時間節(jié)點進行定時設(shè)置,使其實現(xiàn)從正常運行狀態(tài)到勵磁繞組匝間短路狀態(tài)的變化,其勵磁回路如圖4所示。

圖4 勵磁回路外電路圖

在圖4中,L1和R1分別為勵磁回路故障后的等效電感和等效電阻,L2和R2分別為故障匝對應(yīng)的等效電感和等效電阻。

圖5為水輪發(fā)電機有限元網(wǎng)格截面圖。

圖5 水輪發(fā)電機有限元網(wǎng)格截面圖

首先根據(jù)水輪發(fā)電機的實際結(jié)構(gòu)將發(fā)電機分成不同的區(qū)域,其次分別設(shè)定各區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格最大尺寸參數(shù),并逐次添加網(wǎng)格。最后,通過有限元軟件對設(shè)定好的各區(qū)域進行自適應(yīng)剖分,分后共得到93 946個剖分單元,剖分結(jié)果如圖5所示。

圖6～7分別為正常運行時和故障發(fā)生時的氣隙磁密變化的仿真結(jié)果。故障匝數(shù)取1匝(0.152%)。

圖6 正常運行時的氣隙磁密曲線

對比圖6、圖7可知,水輪發(fā)電機正常運行時,任取θ=(2v-1)π/2,其中v=1,2,3,…時,此時B(θ)=0(T)。而當水輪發(fā)電機發(fā)生勵磁繞組匝間短路故障時,B(π/2)=-0.015 4(T),B(27π/2)=-0.015 0(T)。故障時的氣隙磁密在電角度為π/2的奇數(shù)倍時不為0,以上結(jié)果與上文理論推導結(jié)果是一致的,驗證了理論推導的正確性。

圖7 故障運行時的氣隙磁密曲線

4 結(jié) 論

本文分析了水輪發(fā)電機勵磁繞組匝間短路時的勵磁磁動勢變化,故障后勵磁磁動勢中不存在偶數(shù)次諧波分量,只存在奇數(shù)次諧波分量和分數(shù)次諧波分量,且奇數(shù)次諧波分量不受磁極故障位置的影響,但故障后勵磁磁動勢的分數(shù)次諧波的相位會受到影響產(chǎn)生偏移。由于分數(shù)次諧波的影響,氣隙磁密當電角度為π/2的奇數(shù)倍時不為0。以上故障特征為水輪發(fā)電機勵磁繞組匝間短路故障的檢測提供了理論依據(jù)。