不同励磁模式下的汽轮发电机转子绕组匝间短路故障特征分析

武玉才,　袁浚峰

(华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定　071003)



不同励磁模式下的汽轮发电机转子绕组匝间短路故障特征分析

武玉才,袁浚峰

(华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定071003)

转子绕组匝间短路是汽轮发电机常见故障之一，早期的准确检测对电力系统的安全稳定运行具有重要意义。利用Ansoft与Simplorer软件建立同步发电机转子绕组匝间短路故障的联合仿真模型，分别在恒励磁电流和恒励磁电压两种励磁模式下，得到转子绕组匝间短路时发电机各特征量的变化规律。通过比较，分析不同励磁模式下转子绕组匝间短路时不同的故障特征，为自动电压控制(AVC)励磁调节模式下发电机转子绕组匝间短路故障的分析和诊断奠定基础。

转子绕组匝间短路； 联合仿真； 励磁模式； 有限元

0　引　言

大型汽轮发电机转子处于高速旋转、强电磁场的恶劣环境下，容易出现转子故障，特别是转子绕组匝间短路故障，广东省仅2010年就出现了近十起转子绕组匝间短路故障[1]。轻微的转子绕组匝间短路通常不会对发电机造成严重影响，但是如果任由其发展，励磁电流将显著提高，发电机输出无功功率下降，机组振幅增大，短路故障还可能进一步演化为转子一点、两点接地故障，触发保护动作，给机组运行带来严重影响[2-3]。及早检测到故障并予以处理，可保证机组的正常运行，使经济损失降到最低。因此，同步发电机转子绕组匝间短路故障的特征分析和诊断具有非常重要的意义。

汽轮发电机作为机电耦合设备，转子绕组匝间短路故障在机组的机械、电气和磁场上有所体现。文献[4]采用解析法分析了汽轮发电机的励磁磁动势损失情况，认为转子绕组匝间短路引起了发电机励磁磁势不对称，出现了偶数次谐波磁势，谐波磁势与故障程度之间存在对应关系。文献[5]通过有限元仿真得到了转子绕组匝间短路故障后的发电机空载磁场，建立了不对称磁场与短路程度等因素的关系。根据麦克斯韦应力表达式，转子绕组匝间短路引发的发电机磁场不对称将进一步产生电磁应力。文献[6]分析了转子绕组匝间短路故障时发电机的径向电磁力，得到径向不平衡磁拉力与短路位置及短路程度的关系。文献[7]采用气隙磁导法建立了发电机磁场计算模型，分析了转子绕组匝间短路故障下的不平衡磁拉力和转子振动特征。转子绕组匝间短路引起的磁场不对称问题在电气量上也有所反映，文献[8]从转子绕组匝间短路故障引起励磁磁势损失角度出发，得到了转子绕组匝间短路引起发电机励磁电流增大、无功相对下降的结论。文献[9]分析了发电机定、转子磁场之间的相互耦合作用，提出转子绕组匝间短路故障在励磁绕组中产生特定频率的电流谐波。文献[10]研究了定子绕组并联支路环流与转子绕组匝间短路之间的关系。文献[11]利用多回路理论建立了同步发电机数学模型，在恒定励磁电压模式下计算了故障前后发电机励磁电流和定子电流等电气量，分析了励磁电流和定子环流的谐波特征。文献[12-13]分别研究了转子绕组匝间短路故障对发电机切向电磁应力的影响，认为该故障将导致电磁转矩中叠加特定频率的谐波分量。文献[14]分析了转子绕组匝间短路故障引起的发电机转矩损失，在恒励磁电流和恒励磁磁势两种调节模式下分析了发电机无功功率的变化规律，发电机故障时的实际无功位于上述调节模式确定的区间范围内。

本文研究了汽轮发电机转子绕组匝间短路故障的暂态过程，在恒励磁电流和恒励磁电压两种模式下，借助Ansoft和Simplorer软件建立了发电机转子绕组匝间短路故障仿真模型，分析了转子绕组匝间短路时发电机磁场和相关电气量的变化规律，为分析自动电压控制(Automatic Voltage Control, AVC)励磁模式下发生转子绕组匝间短路时的发电机过渡过程奠定了研究基础。

1　发电机转子绕组匝间短路有限元模型

发电机内的电磁场可以用微分形式的麦克斯韦方程组求解，其形式如下：

(1)

(2)

H——磁场强度矢量；

Jc——从外部施加激励源电流密度矢量；

D——电位移矢量；

E——电场强度矢量；

B——磁感应强度矢量；

ρ——体电荷密度;

ε——介电常数；

σ——电导率；

μ——磁导率。

(3)

对于瞬态电磁场，则矢量磁位A满足如下方程：

(4)

式中：ν——运动物体的速度；

JS——源电流密度；

HC——永磁体矫顽力。

在进行瞬态分析时，将模型的静止部分固定在一个参考框架(全局坐标系)内，则模型的静止部分速度为零；将模型的运动部分固定在自身坐标系(相对坐标系)内，则可以设置模型运动部分的速度。通过坐标系和边界的设置就可完成模型的静止和运动两部分的分离，使偏时间导数变成全时间导数。运动方程为

(5)

基于上述基本原理，对发电机转子绕组匝间短路故障的瞬态特性进行分析。本文使用Ansoft Maxwell软件建立了QFSN300-2型汽轮发电机(参数见表1)的有限元模型，如图1所示。图1中，转子槽从上到下依次编号1～16号。计算过程中不考虑发电机的端部效应、涡流和铁磁材料的各向异性等因素的影响。

图1　QFSN300-2型汽轮发电机有限元模型

参数名称参数值额定线电压/kV20额定线电流/kA10.189额定功率/mW300额定功率因数0.85额定励磁电流/A2642定子槽数54转子槽数32定子内径/mm1250定子外径/mm2540转子外径/mm1100气隙长度/mm75铁心长度/mm5150极对数1

发电机的激励是由外部电路提供的，故有限元模型激励要设置为“External”，与Simplorer软件进行联合仿真。将图1的二维有限元模型导入到Simplorer中，根据定、转子的绕组连接方式编辑外电路模型，为转子绕组提供直流激励，如图2所示。

图2　QFSN300-2型汽轮发电机联合仿真模型

图2中，在某一时刻短接一定匝数的转子绕组即可模拟不同程度转子绕组匝间短路故障。以恒定电流源和恒定电压源为励磁激励，分析不同励磁模式下转子绕组匝间短路故障的暂态特征。

2　仿真结果与分析

2.1短路对气隙磁场的影响

以发电机单机带额定负载运行工况为例，在恒励磁电流和恒励磁电压模式下，设置转子4号槽发生5匝短路，对比故障前后的发电机气隙磁密分布，如图3、图4所示。

图3　恒励磁电流模式下气隙磁密图

图4　恒励磁电压模式下气隙磁密图

转子绕组匝间短路故障后，励磁绕组有效匝数减少。在恒励磁电流模式下，有效安匝数与转子绕组有效匝数正相关，磁场有明显的损失，从图3可知故障极气隙磁密较正常值有明显下降。在恒励磁电压模式下，短路后励磁绕组直流电阻下降，励磁电流有所增加，在一定程度上弥补了匝间短路所造成的磁场损失，因此，图4中两条曲线十分接近。将正常和故障状态的气隙磁密相减，得到气隙磁密的差值曲线，如图5所示。由图5可见，在恒励磁电流模式下转子N、S极的磁场相对于正常情况具有显著差异，而恒励磁电压模式下的差异则相对较小。

图5　不同励磁模式气隙磁密差值图

图6和图7是发电机额定负载和转子短路5匝时气隙磁密的谐波含量。

图6　额定负载时气隙磁密谐波含量

由图6、图7可知，发生转子绕组匝间短路故障时，气隙磁密中出现偶次谐波，其中，2、4次谐波最明显。由图7还可以看到，相同短路程度下，恒励磁电压模式下的2、4次谐波幅值更大，气隙磁密畸变率更大，说明转子N、S极磁场的不对称程度加重。

2.2短路对定子侧电气量的影响

表2是发电机不同励磁模式下，转子N极4号槽转子绕组匝间短路时定子侧各电气量的变化情况。

图7　不同励磁模式下短路5匝时气隙磁密谐波含量

励磁模式运行工况励磁电流/A定子端电压/kV定子电流/kA定子环流畸变率/%恒定励磁电流额定负载短路5匝264219.969.64420.0819.749.53043.24恒定励磁电压额定负载264519.989.80330.08短路5匝2731.619.9529.78424.15

由表2可知，转子4号槽发生5匝短路时，在恒励磁电流模式下，励磁磁动势下降导致了气隙磁动势减小，定子侧端电压和线电流也相应减小，分别减小了1.1%、1.18%。在恒励磁电压模式下，定子端电压和定子电流仅减小了0.14%和0.19%，远小于恒励磁电流模式下的减小量，这主要是励磁电流增大弥补了部分励磁磁势损失。

从表2还可知，相同程度的转子绕组匝间短路，恒励磁电压模式下的定子支路环流畸变率更大。转子有效绕组流过的励磁电流增加，导致发电机气隙磁密畸变程度更加严重，定子支路绕组感应电动势不对称程度加深。

发电机额定负载和转子绕组短路5匝时定子绕组并联支路环流中的谐波含量分别如图8、图9所示。

图8　额定负载时定子环流谐波含量

图9　不同励磁模式下短路5匝时定子环流谐波含量

由图8、图9可知,发生转子绕组匝间短路故障时，定子并联支路环流的偶次谐波幅值大幅增加，其中，2、4次谐波幅值最明显。在相同的短路程度下，恒励磁电压模式下的偶次谐波幅值更大，其原因是恒励磁电压模式下的励磁磁势更大，转子N、S极磁场的不对称程度更为严重，故2、4等偶次谐波环流有明显增大。偶次谐波幅值在一定程度上反映了匝间短路时气隙磁密的不对称程度。

2.3短路对电磁转矩的影响

两种励磁模式下，转子4号槽发生5匝短路时电磁转矩的暂态变化过程分别如图10、图11所示。

对电磁转矩进行谐波分析，结果如表3所示。

图10　恒励磁电流下，电磁转矩变化曲线

图11　恒励磁电压下，电磁转矩变化曲线

励磁模式运行工况电磁转矩均值部分/(kN·m)电磁转矩谐波幅值所占百分比/%恒定励磁电流额定负载短路5匝943.7903.10.390.46恒定励磁电压额定负载短路5匝943.7941.50.390.48

由表3可以看到，在恒励磁电流模式下，发生转子绕组匝间短路瞬间，电磁转矩下降更为明显，且电磁转矩的谐波含量有一定程度上升。经傅里叶分析发现，电磁转矩中的主要谐波成分是6、8次谐波，如图12、图13所示。

图12　额定负载时电磁转矩谐波含量

由图12、图13可知： 发生转子绕组匝间短路故障时，电磁转矩中的6、8次谐波幅值增大最明显。还可以看到： 在相同的短路程度下，恒励磁电压模式下的6、8次谐波幅值更大。

图13　不同励磁模式下短路5匝时电磁转矩谐波含量

3　结　语

本文以QFSN300-2型汽轮发电机作为研究对象，通过多软件联合仿真，得到发电机在恒励磁电流和恒励磁电压两种调节模式下发生转子绕组匝间短路时基本电磁量的变化规律，得出以下结论：

(1) 恒励磁电压模式下，励磁电流的增大一定程度上弥补了匝间短路槽所造成的磁场能量损失，导致气隙磁密变化减小，使定子侧电压、电流和电磁转矩的均值部分受转子绕组匝间短路的影响不大。

(2) 恒励磁电压模式下，发电机磁场畸变程度加深，定子支路环流的畸变率增加，偶次谐波幅值增大，电磁转矩的6、8次谐波幅值增加。

(3) 发电机的常规励磁模式是采用AVC模式，机组经过连接线并入大电网。本文以恒励磁电流和恒励磁电压两种典型励磁方式为例，分析了转子绕组匝间短路故障的基本特征，为基于AVC且并入电网的发电机运行方式下的转子绕组匝间短路故障分析奠定了研究基础。

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Characteristic Analysis of Rotor Winding Inter-Turn Short Circuit Fault for Turbo Generator Rotor Winding under Different Excitation Modes

WUYucai,YUANJunfeng

(College of Electrical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Rotor inter-turn short circuit was one of the common faults of turbo generator. The early and accurate detection of the inter- turn short circuit was very important for the safe and reliable operation of the power generation system. Using Ansoft and Simplorer software, simulation model of rotor winding inter-turn short circuit in synchronous generator was established. The variation law of each characteristic of the generator was obtained when the rotor winding inter-turn short circuit,under the condition of constant excitation current and constant excitation voltage. By comparison, the different fault characteristics of rotor winding inter-turn short circuit under different excitation modes were analyzed, which laid the foundation for the analysis and diagnosis of rotor winding inter-turn short circuit fault in AVC excitation regulation mode.

rotor windings inter-turn short circuit; coupled simulation; excitation mode; finite element model

武玉才(1982—)，男，讲师，硕士生导师，研究方向为大型汽轮发电机在线监测与故障诊断技术等方面。

袁浚峰(1989—)，男，硕士研究生，研究方向为大型汽轮发电机在线监测与故障诊断技术等方面。

TM 307+.1

A

1673-6540(2016)09- 0086- 06

2016-01-14