趙洪森　戈寶軍　陶大軍　楊崑　邢廣

摘要：在對同步發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路故障負(fù)序電流分量產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了以負(fù)序電流作為故障特征量，對同步發(fā)電機(jī)定子內(nèi)部短路故障進(jìn)行監(jiān)測和診斷的方法。基于電路與電磁場有限元理論，建立同步發(fā)電機(jī)場路耦合數(shù)學(xué)模型，對半載運(yùn)行下的同步發(fā)電機(jī)發(fā)生定子繞組匝間短路故障進(jìn)行仿真，計(jì)算出故障發(fā)生前后三相電流相角差與幅值以及負(fù)序電流分量，并通過一臺(tái)功率為24kW的同步發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的精度與理論分析的合理性。同時(shí)，仿真分析了同一支路短路故障與不同支路短路故障等情況下對負(fù)序電流大小的影響，該結(jié)果對同步發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路故障的監(jiān)測與診斷具有理論意義。

關(guān)鍵詞：負(fù)序電流；定子短路故障；場路耦合；同步發(fā)電機(jī)；故障診斷

DOI：10.15938/j.jhust.2018.01.018

中圖分類號(hào)： TM32

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2018）01-0099-06

Abstract：On the basis of negative sequence current generation mechanism analysis of synchronous generator stator winding interturns short circuit， the method of detecting and diagnosing synchronous generator stator winding interturns short circuit is proposed， which uses the negative sequence current as fault signature. A fieldcircuit coupled mathematical model of synchronous generator is built， based on the fieldcircuit coupled principle. Firstly， stator winding interturns short circuit happened in synchronous generator with half load is simulated. And then threephase current phase difference， amplitude and negative sequence current component before and after fault is calculated according to the model. The accuracy of model and rationality of theoretical analysis is demonstrated by the use of experimental data coming from 24kW synchronous. Meanwhile， the short circuit fault with the same branch and different branch impact on the negative sequence current is also simulated and analyzed. The results have some significance for synchronous generator stator winding interturns circuit fault monitoring and diagnosis.

Keywords：sequence current； stator short circuit fault； fieldcircuit coupled； synchronous generator； fault diagnosis

0引言

隨著電網(wǎng)的迅速發(fā)展以及同步發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的不斷增大，人們對同步發(fā)電機(jī)的安全可靠運(yùn)行愈來愈加重視[1-2]。同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中，其主要構(gòu)件定子在熱、電、機(jī)械、環(huán)境應(yīng)力等共同作用下，會(huì)導(dǎo)致絕緣老化，過電壓沖擊以及機(jī)械振動(dòng)等狀況，可能誘發(fā)定子匝間短路故障。該故障發(fā)生后機(jī)組若繼續(xù)運(yùn)行則會(huì)帶來難以估量的經(jīng)濟(jì)損失，因此大型發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路故障的特征及相關(guān)參數(shù)的研究，對該類故障的早期監(jiān)測與診斷具有重要意義。

近些年，國內(nèi)外的許多學(xué)者已從不同角度對同步發(fā)電機(jī)定子內(nèi)部故障進(jìn)行了分析和研究[3]，在定子匝間短路故障的監(jiān)測與診斷方面取得了很多的成果。文[4]以多回路理論為基礎(chǔ)，計(jì)算并分析定子繞組內(nèi)部匝間短路后故障支路電流的變化規(guī)律，以支路電流的變化作為故障特征量對同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行診斷。文[5-6]基于Park理論，將定子繞組匝間短路時(shí)三相電流Park矢量模軌跡所發(fā)生的變化作為故障特征量對電機(jī)定子繞組匝間短路進(jìn)行故障診斷。文[7]將定子組三相電流Park矢量模軌跡與模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法相結(jié)合，用在電機(jī)定子匝間短路故障實(shí)現(xiàn)診斷與保護(hù)。文[8]提出以同步發(fā)電機(jī)機(jī)端負(fù)序電壓、主變高壓側(cè)負(fù)序電壓、主變中壓側(cè)負(fù)序電壓作為主判據(jù)和閉鎖判據(jù)，用來實(shí)現(xiàn)同步發(fā)電機(jī)定子匝間短路的診斷與保護(hù)。文[9-10]對發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)定子繞組內(nèi)部匝間短路故障發(fā)生前后的電磁轉(zhuǎn)矩做出了理論分析，并提出以二倍頻電磁轉(zhuǎn)矩作為同步發(fā)電機(jī)定子匝間短路故障監(jiān)測特征量。文[11]得到作用于轉(zhuǎn)子的不平衡電磁力特性和作用于定子的脈振電磁力特性以及定轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性，將電磁力與振動(dòng)引入到定子匝間短路故障診斷方法當(dāng)中。文[12]采用R/S分析與小波變換相結(jié)合的方法得到定子匝間短路后相電流與相電壓的諧波分量變化作為其故障的特征量來實(shí)現(xiàn)診斷。文[13] 分析了汽輪發(fā)電機(jī)定子匝間短路故障下的并聯(lián)環(huán)流特性，以及故障發(fā)展對環(huán)流特性的影響，將定子支路間環(huán)流作為故障特征量進(jìn)行研究。文[14]基于場路耦合原理，分析了故障后定子各支路電流隨著短路匝數(shù)、短路時(shí)刻以及短路位置不同的變化規(guī)律，為基于支路電流變化的定子匝間短路故障診斷提供了更多的理論支持。

同步發(fā)電機(jī)定子內(nèi)部匝間短路故障同外部相間短路故障一樣[15]，皆屬于電機(jī)不對稱運(yùn)行，故障后的定子相電流理論上也會(huì)產(chǎn)生額外的負(fù)序電流分量。本文基于電路與電磁場有限元理論，建立隱極同步發(fā)電機(jī)場路耦合數(shù)學(xué)模型，并通過實(shí)驗(yàn)對模型進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)一步研究定子負(fù)序電流的大小隨短路大小與位置的變化規(guī)律，為同步發(fā)電機(jī)的診斷與保護(hù)提供新的研究途徑。

1定子匝間短路故障后負(fù)序電流的產(chǎn)生機(jī)理分析

同步發(fā)電機(jī)正常負(fù)載運(yùn)行時(shí)，氣隙磁場為一正向旋轉(zhuǎn)的磁場，它在定子繞組中感應(yīng)出對稱的三相電流。當(dāng)定子繞組發(fā)生匝間短路故障時(shí)，將在短路回路中產(chǎn)生附加環(huán)流Ik，而短路環(huán)中的附加環(huán)流產(chǎn)生的磁場為一以短路匝繞組軸線為中心的脈振磁場，脈振頻率為額定頻率，脈振磁動(dòng)勢為：

隱極發(fā)電機(jī)定子槽數(shù)為54，定子繞組每相并聯(lián)支路數(shù)為2，A相第一支路引出2%和20%兩個(gè)抽頭，用來模擬發(fā)電機(jī)定子繞組2%到20%匝間短路。實(shí)驗(yàn)采用波譜公司生產(chǎn)的U60116C型數(shù)據(jù)采集儀，設(shè)置采樣頻率為10kHz，電流一個(gè)周期采樣200點(diǎn)。

3.2負(fù)序電流的仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

轉(zhuǎn)速恒定，同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)半載運(yùn)行，P=12kW，Q =9kVar，If=1.40A，采用場路耦合模型對A相繞組第一支路2%-20%短路故障進(jìn)行仿真計(jì)算，得到發(fā)電機(jī)故障前后三相電流波形。圖1（a）和圖1（b）分別給出了同步發(fā)電機(jī)故障前后三相電流穩(wěn)態(tài)仿真波形，圖2（a）和圖2（b）給出了同步發(fā)電機(jī)故障前后實(shí)驗(yàn)采樣波形。

從圖1和圖2可以看出，定子繞組發(fā)生匝間短路故障后，三相電流大小不再對稱，故障后三相穩(wěn)態(tài)電流的仿真波形與實(shí)驗(yàn)波形基本吻合。

表2給出了同步發(fā)電機(jī)故障前后定子繞組三相電流相角差的仿真值與實(shí)驗(yàn)值，表3給出了同步發(fā)電機(jī)故障前后的正序電流、負(fù)序電流的仿真值與實(shí)驗(yàn)值。

理論上，同步發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行狀況下，定子三相電流是對稱的，相角差為120°，且不存在負(fù)序分量。但表2和表3顯示正常運(yùn)行時(shí)三相電流相位差的實(shí)驗(yàn)值與仿真值皆接近120°，且存在微量的負(fù)序電流分量。這是由于電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外部非故障環(huán)境因素以及數(shù)據(jù)的提取與計(jì)算誤差造成的，并不影響分析結(jié)果。可以將故障后三相電流相位差和負(fù)序電流分量與正常運(yùn)行情況下相比較（相當(dāng)于作為同步發(fā)電機(jī)本身系統(tǒng)具有飄零，這是一個(gè)去除飄零的操作），以準(zhǔn)確得出三相電流相位差與負(fù)序分量的變化程度。從表1可以看出，同步發(fā)電機(jī)發(fā)生定子繞組匝間短路故障后，三相電流之間相位差的對稱性遭到破環(huán)，其中，AC兩相之間的相位差偏離120°最大。表2展示故障發(fā)生后，三相電流也產(chǎn)生了一定量的負(fù)序電流，負(fù)序電流的實(shí)驗(yàn)值與仿真值吻合，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性與上述理論的合理性。

3.3同相同分支匝間短路負(fù)序電流特性

如圖3所示，單機(jī)半載運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)，定子繞組A相第一支路（A1支路）發(fā)生對中性點(diǎn)的匝間短路故障（k固定在中性點(diǎn)處，j可移動(dòng)），電弧電阻為0。圖4給出了三相電流負(fù)序分量隨著短路線圈數(shù)變化的仿真結(jié)果，其中橫坐標(biāo)為A1支路中從故障點(diǎn)到中性點(diǎn)的短路線圈數(shù)，縱坐標(biāo)為負(fù)序電流幅值。從圖中可以看出，負(fù)序電流幅值隨著短路線圈數(shù)的增加而增加，當(dāng)A1支短路8個(gè)線圈時(shí)（即一個(gè)支路88.89%被短路），負(fù)序電流占正常半載運(yùn)行時(shí)電流的54.27%，如果接近于100%短路，則相當(dāng)于電機(jī)單相對中性點(diǎn)短路，負(fù)序電流將更大。這是由于隨著短路線圈數(shù)的增加，氣隙磁場畸變嚴(yán)重，三相不對稱程度更加嚴(yán)重，負(fù)序電流必然會(huì)增大。

半載下運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)A1支路發(fā)生相同程度的匝間短路故障，如圖3所示，故障回路的被短路匝數(shù)保持不變，故障點(diǎn)k，j隨故障位置不同而移動(dòng)。表4列出了A1支路發(fā)生六種相同匝比的匝間短路故障時(shí)，正負(fù)序電流大小與正負(fù)電流的比值。盡管短路匝數(shù)相同，且發(fā)生在同一支路上，但由于短路空間位置不同，短路線圈同其他所有回路的互感系數(shù)不同，短路后的負(fù)序電流分量也有所不同，由于所選樣機(jī)容量較小，所以六種短路情況下各負(fù)序電流相差不大。

如圖5所示，同步發(fā)電機(jī)單機(jī)半載運(yùn)行，A1對A2發(fā)生同相不同分支間短路故障。A1故障點(diǎn)k在支路中間，A2故障點(diǎn)j（可移動(dòng)）到支路中間位置的線圈差為n（其中靠近中性點(diǎn)為負(fù)，靠近端部為正）。圖6為電流負(fù)序分量隨n的變化規(guī)律，從圖中可以看出，當(dāng)n=0，即 k，j兩點(diǎn)都處于各支路中間時(shí)，短路點(diǎn)k與j為等位點(diǎn)，電機(jī)各回路電流均為正常運(yùn)行時(shí)電流，k與j這兩點(diǎn)短路對電機(jī)運(yùn)行沒有任何影響。當(dāng)j點(diǎn)向兩側(cè)移動(dòng)時(shí)，隨著A2支路故障點(diǎn)j到支路中間位置的線圈數(shù)增加，短路回路由氣隙磁場產(chǎn)生的感應(yīng)凈電勢逐漸增加，負(fù)序電流逐漸增大。

4結(jié)論

本文從理論上分析了同步發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路故障負(fù)序電流分量的產(chǎn)生，并建立場路耦合數(shù)學(xué)模型，對同步發(fā)電機(jī)匝間短路進(jìn)行仿真，得到如下結(jié)論：同步發(fā)電機(jī)發(fā)生定子匝間短路故障后，三相電流的對稱性遭到破壞，定子繞組中會(huì)產(chǎn)生負(fù)序電流分量。同一分支發(fā)生匝間短路時(shí)，負(fù)序電流隨著短路線圈的增加而增大，并隨著短路位置的不同而改變。同相不同分支發(fā)生匝間短路時(shí)，若兩支路短路匝數(shù)與位置相同時(shí)，電機(jī)仍處于正常運(yùn)行，若兩支路短路匝數(shù)或位置不同時(shí)，電機(jī)則會(huì)產(chǎn)生負(fù)序電流，且負(fù)序電流會(huì)隨著匝數(shù)差的增加而變大。本文所得到的結(jié)論為基于負(fù)序電流的定子短路故障診斷方法提供了理論基礎(chǔ)，對同步發(fā)電機(jī)多特征量短路故障診斷系統(tǒng)的研發(fā)具有一定的意義。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：關(guān)毅）