发电机内部短路分析研究最新进展

电力18讯：    1　历史的简要回顾

　　从五六十年代以来，发电机内部故障研究的重要性逐渐被人们所认识。学者们试图用传统的对称分量法来计算电机定子绕组内部故障的问题，并发表了一系列的文章［1～3］。
　　但是，电机定子绕组内部发生故障时，电机气隙磁场中产生了很强的空间谐波，从而动摇了对称分量法的应用基础。这是因为，对称分量法是建立在气隙磁场空间基波为主和电压、电流的时间基波为主的条件下，内部故障时这一条件不复存在。另一原因是，内部故障时不同相序分量的电压、电流之间有了依存关系，使对称分量法丧失了它的主要优点。
　　在这种情况下，把电机看作为由多个回路组成的电路，按照一般的电路法则(称之为电机的多回路分析法)来分析电机的定子绕组的内部故障被提到研究日程上。但是电机电路与一般的静止电路相比有很大的区别，电机的定子与转子间有相对运动，使得电机电路的电感参数大多具有时变性；电机的磁路由铁心和气隙等组成，绕组大多是分布的，这使得它的气隙磁场比较复杂，当电机正常运行和外部不对称(包括外部故障)时，气隙磁场以空间基波为主，但内部故障时的气隙磁场谐波很强，这时电机各回路电感参数的计算必须考虑谐波的影响，此外电机的电感参数还受到铁心饱和的影响。所以电机的多回路分析比一般的电路分析要复杂得多［4，5］。
　　清华大学首先提出了交流电机的多回路分析方法，并将它成功地应用于凸极同步电机定子绕组内部故障的稳态分析中［4］。此后，多回路法在异步电机转子断条故障、同步电机带整流负载、特殊励磁的同步发电机系统以及变频驱动系统的分析中也得到广泛的应用［6］。国内其它一些院校，如华中理工大学、东南大学、海军工程学院等也将多回路法用于研究工作中，并有所发展。
　　德国学者T.S.Kulig等人用类似多回路分析法的手段研究汽轮发电机内部和外部故障时的瞬态电流，并发表了一系列的文章［7］。美国学者Toliyat和Lipo等人研究感应电机定子和转子绕组的瞬态故障，并进行了实验室试验［8］。加拿大学者也试图将发电机内部故障分析包容进电磁瞬态程序(EMTP)。

2　汽轮发电机内部故障的研究

　　汽轮发电机气隙均匀，如果不考虑定子和转子的齿槽影响，汽轮发电机的气隙磁导是常数，其气隙磁场谐波相对于凸极同步电机来说较为简单。但是汽轮发电机有其自身的特点，必须着重研究：首先，它的转子励磁绕组是分布绕组，其自感系数及与别的绕组间的互感系数均和凸极同步电机的励磁绕组不同；另外，它的转子本体往往是整体的实心锻钢，其涡流作用必须考虑；如果汽轮发电机的转子上还装有全阻尼或半阻尼绕组，则必须考虑阻尼绕组和实心转子涡流的共同作用。
　　汽轮发电机定子绕组内部短路保护的必要性日益为人们所认识［9］。装设内部短路保护，定子绕组的中性点侧至少需要引出4个头，最好能有6个出线端。国外制造的汽轮发电机已有这种形式的出线。为了大型汽轮发电机组的安全可靠运行，继电保护工作者和电机制造厂家需要共同努力，探讨完善汽轮发电机定子绕组内部故障保护的途径。

3　大型水轮发电机内部故障研究的发展

　　水轮发电机气隙不均匀，其气隙磁场比较复杂，特别在定子绕组内部故障时，气隙谐波磁势作用在不均匀气隙上，产生各种极对数和不同转向的谐波磁场，所以水轮发电机各回路电感参数的计算也比较复杂。大型水轮发电机一般采用多支路绕组，在用多回路法分析其内部故障时，电机回路的个数也比较多。
　　一般地说，大型水轮发电机定子绕组内部稳态故障分析的问题已经解决。在国内，很多大型水电机组都进行过定子绕组内部故障的分析和保护的设计，如天生桥、白山、龙羊峡、宝珠寺、岩滩、大朝山、二滩等，最近正在分析三峡电机内部故障问题。
　　多支路水轮发电机定子绕组内部故障时，由于电机结构不同(主要是定子绕组结构的不同)，定子各支路电流及其它电量的大小和变化规律也各异。所以对每种形式的水轮发电机都必须作内部故障的分析计算，然后确定其内部故障的保护方案。从多种大型水轮发电机定子绕组内部故障的计算结果来看，单元件横差、裂相横差、不完全纵差以及完全纵差等几种保护方案各有其特点。总的来讲，单元件横差保护配置简单，灵敏度相对较高，值得推荐。但究竟怎样形成单元件横差，对于不同的电机有不同的排列。

4　大型发电机定子绕组内部故障瞬态研究

　　内部故障的破坏性很大，为了减轻它的损害，继电保护的快速性是十分必要的。这就需要了解内部故障的瞬态情况。
　　众所周知，对于电机的端头故障，瞬态短路电流比稳态短路电流大得多。例如三相突然短路时电机表现的电抗是超瞬变电抗，而三相稳态短路时电机表现的电抗则是同步电抗，两者在数值上要差好几倍，所以三相突然短路电流比稳态短路电流也要大好几倍。这主要是因为阻尼绕组对短路瞬态起作用而对稳态三相对称短路没有反应的缘故。
　　定子绕组内部故障时则