1000MW水轮发电机失磁故障特性分析_硕士学位论文.pdf

r 一 国内图书分类号：t m 3 1 2 工学硕士学位论文 10 0 0 m w 水轮发电机失磁故障特性分析 硕士研究生：秦克林 导师：戈宝军 申请学位级别：工学硕士 学科、专业：电机与电器 所在单位：电气与电子工程学院 答辩e l 期：2 0 11 年3 月 授予学位单位：哈尔滨理工大学 l r c l a s s i f i e di n d e x ：t m 312 d i s s e r t a t i o nf o rt h em a s t e rd e g r e ei ne n g i n e e r i n g a n a l y s i h y d r o - g c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： so fc h a r a c t e r i s t i c sf 1 0 ri0 0 0 m w e n e r a t o ra n d e rl o s s0 le x c i t a t l o n 一一n j q i n k e l i n g eb a o j u n a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y 2 e l e c t r i cm a c h i n e sa n de l e c t r i c a p p a r a t u s d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 11 u n i v e r s i t y ： h a r b i nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y i删43 舢2jjjji川02y 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文1 0 0 0 m w 水轮发电机失磁故障特 性分析，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研 究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰 写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签 期：沙f 年“月留h 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 1 0 0 0 m w 水轮发电机失磁故障特性分析系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士 学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学 所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大 学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版 本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密，口在年解密后适用授权书。 不保密由。 ( 请在以上相应方框内 作者签名 导师签名： 圾芬私 1 日期：山年e 4 月同 日期：山1 年牛月留日 哈尔滨理t 大学t 学硕 ：学位论文 i0 0 0 m w 水轮发电机失磁故障特性分析 摘要 我国江河流域分布广阔，水能资源蕴藏丰富，大力发展水电事业可提高电 能产量为经济的快速发展提供保障。基于大型水轮发电机失磁故障的频发性， 以及产生后果的严重程度，本文提出了研究1 0 0 0 m w 水轮发电机失磁故障的 重要性。并且从失磁过程中定、转子各电气量的变化规律、失磁稳念异步运行 时磁场的变化及气隙磁密的组成等方面对1 0 0 0 m w 水轮发电机的失磁故障进 行了研究。 首先，本文阐述了水轮发电机由失磁到临界失步再到稳定异步运行的过 程。分析了转子脉动磁场的形成原因，以及对故障后各电气量的影响方式。共 且通过对异步转矩的分解，掌握了失磁故障后机组振荡的根本原因。 其次，建立了1 0 0 0 m w 水轮发电机数学模型，在此基础上得到了单机无 穷大系统仿真模型。当发电机在不同输入功率的情况下，对其进行了励磁绕 组开路、直接短路和经灭磁电阻短路等失磁故障的研究。得到机端电压、 电流幅值，无功功率，功角等量的变化规律，并分析了各量变化原因，及 失磁故障产生的后果。同时对系统振荡及短路故障进行仿真，得到相同量 的变化趋势并将其与失磁故障结果进行对比分析，进而总结出它们的本质 区别。 最后，根据1 0 0 0 m w 水轮发电机尺寸数据建立了相应的二维物理模型。 为了便于模拟不同类型的失磁故障，将其励磁绕组添加为外电路并由开关控 制。利用该模型计算了水轮发电机额定负载运行，以及不同输入功率下失磁异 步运行时的磁场分布及气隙磁密的组成。通过仿真结果间的对比，给出了谐波 分量幅值的变化趋势，并分析了气隙磁密畸变程度降低的原因。 关键词巨型水轮发电机；失磁故障；动态仿真；气隙磁密 哈尔滨理t 大学t 学顾十学位论文 a n a l y s i so f c h a r a c t e r i s t i c sf o ri0 0 0 m w h y d r o g e n e r a t o ru n d e r l o s so fe x c i t a t i o n a b s t r a c t d u et ot h ew i d ed i s t r i b u t i o no fr i v e r sa n dr i c hw a t e rr e s o u r c e si no u r c o u n t r y , t h ed e v e l o p m e n to fh y d r o - g e n e r a t o ri m p r o v e s e n e r g yp r o d u c t i o na n dp r o v i d e s p r o t e c t i o nf o rt h er a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t b e c a u s eo ft h es e r i o u sc o n s e q u e n c e s p r o d u c e db yf r e q u e n tl o s so fe x c i t a t i o nf a i l u r e sf o rh u g eh y d r o - g e n e r a t o r ，t h e i m p o r t a n c eo fr e s e a r c h i n go nl o s so fe x c i t a t i o nf a i l u r ef o rl0 0 0 m wh y d r o g e n e r a t o r i sp r o p o u n d e di nt h i sp a p e r t h ep e r f o r m a n c e sf o rl0 0 0 m w h y d r o g e n e r a t o ru n d e r l o s so fe x c i t a t i o na r es t u d i e d ，i n c l u d i n gt h ev a r i a t i o n so fe l e c t r i c a lq u a n t i t i e so fs t a t o r a n dr o t o ri nt h ep r o c e s so fl o s so fe x c i t a t i o n ，c h a n g eo fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l du n d e r s t e a d ys t a t ea s y n c h r o n o u so p e r a t i n ga f t e rl o s so fe x c i t a t i o n ，a n dc o m p o n e n t so fa i r g a pf l u xd e n s i t y f i r s to fa l l ，t h ep r o c e s sf r o ml o s so fe x c i t a t i o n ，c r i t i c a lo u to fs y n c h r o n i s mt o s t e a d y s t a t ea s y n c h r o n o u so p e r a t i o ni s e x p o u n d e di n t h i sp a p e r t h ef o r m i n g p r i n c i p l eo fp u l s a t i n gm a g n e t i cf i e l do fr o t o r , a n dt h ei n f l u e n c e so fe l e c t r i c a l q u a n t i t i e sa f t e rf a i l u r e sa r ea n a l y s e d f u r t h e r m o r e ，t h r o u g ht h ed e c o m p o s i t i o no f a s y n c h r o n o u st o r q u e ，t h er o o tr e a s o n sw h yg e n e r a t o rs e to s c i l l a t e sa f t e rl o s so f e x c i t a t i o nf a i l u r ea r em a s t e r e d s e n c o n d l y m a t h e m a t i c a lm o d e lo f10 0 0 m wh y d r o g e n e r a t o ri se s t a b l i s h e d ， a n do nt h i sb a s i ss i m u l a t i o nm o d e lo fo n em a c h i n e i n f i n i t yb u s s y s t e mi sa l s o e s t a b l i s h e d t h e nu n d e rd i f f e r e n ti n p u tp o w e r ，t h el o s so fe x c i t a t i o nf a i l u r e s s u c ha s d i r e c ts h o r t - c i r c u i t ，o p e n c i r c u i to fe x c i t a t i o nw i n d i n g sa n ds h o r t c i r c u i tw i t hd e e x c i t a t i o nr e s i s t a n c e ，a r es i m u l a t e d a f t e rs i m u l a t i o n ，v a r i a t i o n so fs t a t o rv o l t a g e ， s t a t o rc u r r e n t ，r e a c t i v ep o w e ra n dp o w e ra n g l ea r eg i v e n ，a n dr e a s o n sf o rc h a n g e so f p a r a m e n t sa n dc o n s e q u e n c e sp r o d u c e db yl o s so fe x c i t a t i o na r ea n a l y z e d m e a n w h i l e ， a f t e rs i m u l a t i o n so fo s c i l l a t i o na n ds h o r t c i r c u i t f a u l t ，v a r i a t i o n so ft h es a m e p a r a m e n t sa r eo b t a i n e da n dc o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so fl o s so fe x c i t a t i o n ，a n dt h e n t h ee s s e n t i a ld i f f e r e n c e sa r es u m m a r i z e d i i i f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ed i m e n s i o n a ld a t ao flo o o m wh y d r o g e n e r a t o r at w o d i m e n s i o np h y s i c a lm o d e li se s t a b l i s h e d i no r d e rt os i m u l a t ed i f f e r e n tk i n d so fl o s s o fe x c i t a t i o nf a i l u r e s e x c i t a t i o nw i n d i n g sa les e t t e da se x t e r n a lc i r c u i ta n dc o n t r o l l e d b ys w i t c h b a s e do nt h em o d e l ，t h em a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o n s a n da i rg a pf l u x d e n s i t yc o m p o s i t i o n sf o ra s y n c h r o n o u so p e r a t i o no fh y d r o g e n e r a t o rd u r i n gl o s so f e x c i t a i o na l ec a l c u l a t e do nr a t e da n dd i f f e r e n ti n p u tp o w e rc o n d i t i o n s b yc o m p a r i n g t h es i m u l a t i o nr e s u l t s v a r i a t i o no fh a r m o n i cc o m p o n e n ta m p l i t u d ei sg i v e n ，a n dt h e r e a s o n sf o rt h ed e c r e a s eo fa i rg a pf l u xd e n s i t yd i s t o r t i o na l ea n a l y z e d k e y w o r d sh u g eh y d r o g e n e r a t o r , l o s so fe x c i t a t i o n ，d y n a m i cs i m u l a t i o n , a i r - g a p m a g n e t i cd e n s i t y i i i 哈尔滨理- t 人学工学硕i j 学位论义 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第l 章绪论1 1 1 本课题的背景及研究意义1 1 1 1 研究1 0 0 0 m w 水轮发电机的意义l 1 1 2 研究水轮发电机失磁故障的意义l 1 2 本课题的研究现状2 1 2 1 国内研究现状2 1 2 2 国外研究现状4 1 3 本文主要研究内容5 第2 章水轮发电机失磁故障定性分析6 2 1 引言6 2 2 水轮发电机失磁过渡过程6 2 3 水轮发电机脉动磁场组成7 2 4 水轮发电机转矩分析8 2 4 1 同步转矩8 2 4 2 异步转矩9 2 4 3 反应转矩l0 2 5 本章小结1l 第3 章1 0 0 0 m w 水轮发电机失磁故障建模与分析1 2 3 1 引言1 2 3 2 水轮发电机数学模型。1 2 3 3 水轮发电机失磁故障数学模型1 4 3 3 1 直接短路失磁1 4 3 3 2 经灭磁电阻短路失磁一1 4 3 3 3 开路失磁。1 5 3 4 水轮发电机失磁故障仿真模型1 5 3 5 水轮发电机失磁故障的仿真及结果分析1 6 3 5 1 励磁绕组直接短路失磁1 6 哈尔滨理t 大学r t 学硕士学位论文 3 5 26 0 输入功率下励磁绕组直接短路失磁1 7 3 5 3 励磁绕组经灭磁电阻短路失磁1 9 3 5 4 励磁绕组开路失磁2 0 3 5 5 仿真结果的对比分析2 2 3 6 系统振荡及短路的仿真2 3 3 6 1 系统振荡2 3 3 6 2 短路故障2 5 3 7 本章小结2 6 第4 章1 0 0 0 m w 水轮发电机失磁故障时磁场及气隙磁密的分析2 7 4 1 引言一2 7 4 21 0 0 0 m w 水轮发电机场路结合模型2 7 4 2 1 有限元数学模型2 7 4 2 2 定转子回路方程3 0 4 2 3 转子运动方程、31 4 2 4 失磁故障联合仿真模型3 2 4 3 额定运行时磁场及气隙磁密分析3 3 4 4 失磁故障时磁场及气隙磁密分析3 4 4 4 1 直接短路失磁一3 4 4 4 2 开路失磁3 6 4 5 本章小结3 7 结论3 8 参考文献3 9 攻读硕士学位期间发表的学术论文4 3 弱c 谢4 4 哈尔滨理工人学t 学硕i ：学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题的背景及研究意义 1 1 1 研究1 0 0 0 m w 水轮发电机的意义 社会经济的健康快速发展，必须以充足且高质量的电能为保障。在目前 常见的发电技术中，水力发电是最成熟且最环保的。并且随着三峡工程的 顺利进行，水力发电已成为继火力发电后又一个电能的重要来源。 我国西南地区水力资源储备丰富，基本分布在的西藏、四川和云南等 省的江河流域上。水力发电是环保的可回复利用资源，发展水电可节能减 排、保护环境，切合我国的可持续发展战略。同时，开发水电是实现西部 大开发的重要举措，它可将西部地区资源优势转变为经济优势，促使西部 地区经济快速繁荣。 从近期发展来看，根据有关部门的调查研究，四川省某水电站已基本具备 装设1 0 0 0 m w 水轮发电机组条件，在工程实施过程中不存在无法克服的制约因 素，且经济效益非常可观。随着装备制造业的迅速发展，我国有能力和条件设 计并制造1 0 0 0 m w 水轮发电机组及其相关配套装置比1 。 从长期发展来看，根据我国可再生能源中长期发展规划。截止2 0 1 0 年 底，我国水电装机容量已突破1 9 亿千瓦，并预计至2 0 2 0 年将达到3 8 亿 千瓦。为了实现这个目标，我国必须大力开发水力资源。由近期全国各大 江河流域水电站的发展状况来看，会有大批巨型水轮发电机投入运行n 1 。 综上所述，对于1 0 0 0 m w 水轮发电机的结构，运行和维护等各方面研究 亟待进行。 1 1 2 研究水轮发电机失磁故障的意义 失磁是发电机运行过程中最常见的故障形式。从近期对十万千瓦以上 机组的故障统计结果来看，失磁居各类故障之首，占全部故障的5 0 以 上。根据全国同步发电机各类故障保护装置动作次数的统计来看，失磁保 护动作次数最多且误动次数显著上涨，严重威胁大型发电机组的安全稳定 哈尔滨理工人学工学硕i - 学位论文 运行口川1 。 失磁故障后，发电机由同步运行向异步运行过渡，转子产生滑差并严 重发热：定子电流上升并超出允许值；发电机有功输出减少，无功输出为 负，从电网吸收大量无功，迫使其他发电机、变压器或线路过载，最后造 成保护装置动作，故障范围扩大；发电机端电压下降，负载与发电机之间 出现振荡，甚至造成整个电力系统的瓦解；有功功率摆动，则会导致未故 障发电机与系统间或系统与系统问失步，严重时会使整个电网崩溃哺，。 尤其对于大型水轮发电机，其失磁异步运行能力受异步转矩特性限 制。随着转差的增大，发电机平均异步转矩变化不大或最大异步转矩小于 故障前输入转矩，所以只有在转差非常大的情况下才能稳定异步运行。由 于转子内涡流损耗严重并有过热危险，在如此大的转差下异步运行是不允 许的。此外，巨型水轮发电机同步电抗较小，导致失磁异步运行后定子绕 组过负荷，所以也限制了其异步运行的能力随，。 综上所述，为了避免失磁故障的发生，以砭能在失磁故障发生后进行及 时、安全、有效的处理。我们必须分析巨型水轮发电机失磁过程的故障状态， 得到发电机内部及机端各电气量变化的规律，为失磁保护方案的制定提供理论 依据。 1 2 本课题的研究现状 1 2 1 国内研究现状 目前，国内学者主要在过程仿真和保护方案两方面对同步发电机失磁故障 进行研究。其中仿真的主要手段是基于m a t l a b s i m u l i n k 或其它一些自编程计 算机语言，对发电机失磁过程中各故障量的变化趋势达到了基本的再现。与此 同时，为了防止发电机失磁后故障范围扩大，保护方案的建立也成为发电机失 磁的主要研究方向。 早在1 9 8 2 年，文献【7 】建立了失磁故障等效发电机组，负荷、网络、调速 器和电压调节器的数学模型。通过计算，获得了发电机在有限系统中发生失磁 故障时的各种电量变化特征，在此基础上，探讨了发电机失磁保护的方案。文 献 8 】采用d q 坐标系和x a d 基值系统建立了同步发电机失磁故障的数学模型， 并且充分考虑了凸极效应、饱和特性和阻尼作用等对发电机的影响。同时给出 了等值发电机组的数学模型，以及负荷、网络、调速器和电压调节器的数学模 哈尔滨理工人学工学硕1 二学位论文 型。文献【9 】应用大型模拟计算机进行了不同运行阶段的各种失磁方式的仿真计 算。在分析失磁过程中各电量变化规律的基础上提出了大型水轮发电机失磁保 护的早期方案。文献 1 0 分析了汽轮发电机四种不同的失磁故障模型，然后将 其与调速器、变压器和带有输电线的单机无穷大系统相结合，最后以一台容 量为1 2 5 m w 的机组为例进行了失磁仿真。文献i 1 1 对汽轮发电机失磁故障模 型进行了优化，在c a n a y 所提出的汽轮发电机实心转子涡流阻抗的基础上，通 过已有的参数计算公式可获得随转差率变化的三相绕组变参数模型及数值仿真 结果。文献 1 2 1 提出了发电机失磁异步运行的可行性和必要性，以及能够稳定 异步运行时发电机和电网应满足的前提和条件。文献 1 3 】根据近年来对发电机 故障形式及次数统计的结果，提出了研究失磁保护的重要性并说明了发生误动 作的原因。同时还分析比较了几种常用的保护判据的不足，并且提出了改进措 施。文献 1 4 】以分析大型水轮发电机失磁的动态过程和验证失磁保护方案为研 究目的，建立了包括水轮机、发电机、调速器和励磁调节器在内的全系统数学 模型，并通过仿真结果与实验数据相对比的方法验证了模型的准确性。最后对 某水电站2 5 0 m w 水轮发电机进行了仿真分析，其结果为工程实践提供重要参 考。文献 1 5 】阐述了失磁故障对发电机本身及电力系统的严重危害，同时还提 出了失磁保护的新方案，以便快速、准确、有效的排除故障。 随着计算机硬件系统的不断升级，各种解决工程实际问题的仿真软件也应 运而生。这些工程软件的广泛应用，使我们更加直观、准确的掌握失磁故障过 程中各参量的变化规律。其中文献 1 6 】以传递函数框图的形式，利用s i m u l i n k 工具箱搭建了包括发电机、调速器、励磁调节器和输电线的仿真模型。最后以 某水电站机组为研究对象，对不同方式的失磁故障进行了仿真分析。文献 1 7 】 利用模块化建模法分别建立了水轮发电机和汽轮发电机的失磁故障模型，之后 在m a t l a b 中调用f o r t r a n 程序，重现了不同失磁故障、同步自励磁以及异步自 励磁下发电机的动态过程，为阻抗特性的整定和备用保护的研制提供了重要的 参考。文献 1 8 、【1 9 】分析了目前三种常用失磁保护判据的不足，给出了若干 可能导致保护误动或拒动的原因。通过仿真分析掌握了发电机失磁后机端量的 变化特点并得到了失磁保护最优判据。文献 2 0 1 从系统角度建立了模拟汽轮发 电机失磁故障的数学模型，并利用m a t l a b s i m u l i n k 对失磁全过程进行了仿真 分析，并利用该模型对汽轮发电机的失磁故障进行了仿真计算。将仿真结果与 实测结果进行对比，验证了仿真模型的正确性，对电机设计和电网运行具有一 定的有参考价值。文献【2 l 】介绍了发电机失磁保护的发展现状以及常用的阻抗 原理保护判据，并且分析和探讨了目前常用保护方案的不足以及提高阻抗原理 哈尔滨理t 大学工学硕一l ：学位论文 保护性能的可行性和必要性。 综上所述，工程软件的应用加速了失磁故障的研究进程。但是，计算机硬 件更新的速度远远不能满足人们需求，所以应用有限元软件分析失磁故障前必 须对模型进行大量简化，这在一定程度上削弱了研究价值。近年来，计算机技 术的突飞猛进，使失磁仿真的准确性有了很大的提高。但大多研究仅局限于分 析失磁后发电机内部和机端各量的变化趋势，只有少量文献对同步发电机失磁 后的磁场，温度场和涡流场等进行了研究。其中文献 2 2 】采用a ，妒三维有 限元法建立了大型汽轮发电机异步运行时转子端部三维涡流场的数学模型，提 出了用二维和三维磁场耦合的方法确定边界条件的新方法。利用磁场计算结果 进一步研究了转子端部等效漏抗和涡流损耗的计算方法，最后以一台3 0 0 m w 汽轮发电机为例进行了实际计算，验证了所提方法的有效性。文献 2 3 1 7 f i j 用场 路结合方法，建立了汽轮发电机励磁绕组故障的瞬态模型。该模型不仅考虑了 绕组的分布与联接方式以及气隙磁场的谐波含量，并且包含了磁极形状、铁芯 饱和及涡流等因素。文献【2 4 提供了分析汽轮发电机失磁故障的三维电磁场有 限元模型，以及模型中所需参数的计算方法。利用t - d 法建立了转子三维涡流 场有限元模型。最后根据实验与仿真的对比，说明了参数计算方法的准确性。 1 2 2 国外研究现状 国外较早的将计算机辅助软件运用到工程实践当中，因此在发电机失磁故 障方面的研究起步较早，且更具广度和深度。早期研究多数通过实验的方法完 成，虽然结果更具参考价值，但实验成本较高且缺乏安全性。后期，仿真软件 的应用促使失磁故障研究的飞速发展，其中以m a t l a b s i m u l i n k 最为常用。 早在上世纪七十年代，i m c a n a y 教授提出全新的同步电机数学模型。与 常规p a r k 模型不同的是，它不仅考虑了同步电机转子铁心产生的涡流效应， 还加入了阻尼绕组和励磁绕组之间的漏抗，因此可以更加准确的描述发电机失 磁故障过程乜5 _ 6 别。文献 2 8 1 研究了发电机不同输入功率时，励磁绕组短路失 磁和开路失磁的暂态过程。给出各种失磁形式下同步电机的阻抗特性，并且提 出了相应的保护方案。文献 2 9 】、【3 0 】阐述了失磁故障对发电机本身的危害以 及系统稳定性的影响，并且对现存失磁保护方案进行深入的剖析。文献【3 1 1 对 同步发电机失磁过渡过程进行了研究，给出了脉动磁场和异步转矩的组成以及 对故障量的影响方式。文献 3 2 1 5 i 用仿真软件m a t l a b s i m u l i n k 对失磁故障进行 了模拟。但文章中未给出仿真模型，所以对工程实践的参考价值不大。 哈尔滨理丁大学t 学硕十学位论文 同步电机失磁危害严重，如若保护装置不能快速、准确动作，极易造成故 障范围扩大。因此，国外很早就对低励、失磁等故障的保护方案进行了研究， 但结果缺乏理论和实践的支持，故进展缓慢。文献【3 3 】针对大型同步发电机失 磁特性，提出了可靠的失磁判据并制定了相应的保护方案，最后得到了一种新 颖的人工智能神经网络在线监测系统。文献 3 4 1 描述了同步发电机在不平衡负 载和失励磁状态下的特征，并对其在两种状态下运行的稳定性进行了研究。文 献【3 5 】介绍了一种可直接与电网相连的发电机，因为省去了变压器、母线开关 等装置，故节约了电站的建设和维护成本。文章以这种发电机为研究对象，完 成了失磁故障时的暂态过程分析，给出了定子电流，转差率，有功功率，无功 功率等波形。文献【3 6 】分析了失磁保护误动原因和其造成的危害，并制定了失 磁保护的新方案。有效地提高了失磁判断的准确率，避免了由失磁误动引发的 故障范围扩大。文献【3 7 】评价了发电机低励磁和失励磁状态下的协调能力，并 对由失磁故障引起的发电机进相运行深度进行了研究。 1 3 本文主要研究内容 本课题是国家科技支撑计划项目“1 0 0 0 m w 水力发电机组研究”( 编号： 2 0 0 7 b a a 0 5 8 0 0 ) 的一部分，以研究1 0 0 0 m w 水轮发电机失磁故障特性为主要 研究内容。具体工作内容为： 1 掌握水轮发电机失磁原因、现象及处理方法。分析发电机失磁后的 过渡过程，总结同步发电机失磁故障对本身及电网造成的危害。最后提出 研究1 0 0 0 m w 水轮发电机失磁故障的目的和意义； 2 建立1 0 0 0 m w 水轮发电机的单机无穷大系统模型。根据不同类型 失磁故障的特点，利用动态仿真方法对水轮发电机在1 0 0 、6 0 、4 0 输 入功率情况下，进行励磁绕组开路、直接短路及经灭磁电阻短路失磁的研 究，并对电机内和系统间相关电气参数进行分析计算； 3 运用上述方法，对系统振荡和短路故障进行仿真。得出定子电流、 有功功率、无功功率、功角以及机端电压等波形，并与失磁故障进行比 较，得出本质差别。为失磁保护新方案的建立提供重要参考； 4 建立1 0 0 0 m w 水轮发电机场路结合二维模型。对模型励磁回路部分 进行控制，模拟发电机不同类型的失磁故障。分别对水轮发电机在额定负 载运行、不同输入功率下开路失磁和直接短路失磁时的磁场分布及气隙磁 密组成进行研究。 哈尔滨理丁大学t 学硕：l ：学位论文 第2 章水轮发电机失磁故障定性分析 2 1 引言 失磁是指同步发电机正常运行时励磁电流突然全部或部分的消失m 1 ，主要 分为三种类型：直接短路失磁、经灭磁电阻短路失磁和开路失磁。失磁异步运 行则是指同步发电机失磁故障后，仍带一定负载以低转差与电网继续并联运行 的一种特殊运行方式。 同步发电机失磁故障共经历四个状态：失磁、失步、暂态异步运行以及稳 定异步运行。伴随着同步发电机状态的更替，不但其内部原有参量发生了变 化，而且还产生了新的电气量，如转子单相脉动磁场、交变异步转矩以及平均 异步转矩等。所以为了深入研究水轮发电机失磁特性，必须对故障过程各电气 量的变化过程、产生机理以及作用方式进行定性分析。 2 2 水轮发电机失磁过渡过程 1 励磁电流变化 水轮发电机短路失磁故障后，转子速度不会突变仍以同步转速继续运动。 虽然励磁电压已经为零，但由于励磁回路具有高电感特性，所以励磁电流不会 立即减少到零，而是依指数规律衰减直到为零结束，如图2 1 所示。 图2 1 励磁电压和电流随时间的变化 f i g 2 一lt h ee x c i t a t i o nv o l t a g ea n dc u r r e n tc h a n g ea l o n gw i t ht i m e 其表达式为 一上 i f ( t ) = i f ( o ) e 印 ( 2 1 ) 哈尔滨理t 大学t 学硕一l ：学位论文 式中拓( ，) 失磁后f 秒钟的转子直流励磁电流； 拓( o ) 失磁前瞬间t = o 时刻的转子励磁电流； 转子回路时间常数。如果励磁绕组开路，则由纵轴阻尼回路时间 常数来决定。 2 定子感应电势变化 随着转子励磁电流衰减，发电机感应电势e ( f ) 也按如下公式相应减小： 上 最( f ) = 毛( f ) 一& 删 pf f + 删 ( 2 - 2 ) 式中e ( f ) 失磁故障后f 秒钟的定子感应电势； e ( o ) 失磁故障发生瞬间的定子感应电势； e 删由剩磁产生的定子感应电势。 3 电磁功率变化 如果水轮发电机与无穷大电网系统相连，则u 可视为定值，则根据电磁 功率公式，发电机产生同步电磁功率亦将随瓦( t ) 而减小，即 只：e q ( t ) vs i n 6( 2 3 ) 确 由于电磁功率的减小，导致转子上出现了转矩不平衡现象。因为原动机输 入功率没有改变，而电磁转矩和摩擦转矩之和却不断减小，所以剩余转矩驱使 转子加速。相应的，e ( ，) 与u 之间的夹角艿不断增大，s i n 艿的增大弥补了 反( ，) 的减小，维持了发电机电磁功率只与原动机功率圪间的暂态平衡。 2 3 水轮发电机脉动磁场组成 水轮发电机与无穷大系统相连，短路失磁后定子三相对称绕组仍产生圆形 同步旋转磁场。由于剩余转矩的作用，转子超出同步转速旋转，绕组内部感应 出滑差电流且产生了单相的脉动磁场。该脉动磁场是由两个大小相等、方向相 反的旋转磁场所合成的，其一为相对转子正向旋转的磁场蜀，其二为相对转子 反向旋转的磁场e 。二者相对转子转速都为i s i ，且幅值大小相同皆为单相脉 动磁场幅值的二分之一啪1 ，如图2 2 所示。 假设同步旋转磁场转速标幺值为1 ，则转子转速标幺值为1 + h 。在此基础 上可知：e 相对于定子的速度为1 + 2 l s i ，相对于定子旋转磁场的速度为2 h 。 及相对于定子的速度为1 ，相对于定子旋转磁场的速度为0 。 哈尔滨理工人学工学硕f ：学位论文 磁场届在定子绕组中产生频率为( 1 + 2 s 1 ) 的感应电流，所以定子电流变成 工频电流与感应电流之和，并且以2 h 频率振荡。同时，马与定子旋转磁场以 两倍滑差发生相对运动，进而产生了频率为2 h 周期性变化的转矩分量。 同理，磁场及在定子绕组中产生频率为l 的感应电流，此时定子电流增大 但不振荡。及与定子旋转磁场保持相对静止，将产生大小方向恒定的转矩分 量。 通过对转子脉动磁场的分解可知，三种形式的失磁故障对水轮发电机影响 程度不同，从弱到强分别为：开路失磁、经灭磁电阻短路失磁、直接短路失 磁。当水轮发电机开路失磁时，由于励磁绕组不闭合，其内部不会产生滑差电 流。所以滑差电流主要集中在阻尼绕组上，发电机转子的不对称仍然会产生正 向旋转磁场分量蜀，但强度减弱。定子绕组中的l + 2 吲频率感应电流变小；引 起相关电气参数波动减弱。当水轮发电机直接短路或经灭磁电阻失磁时，励磁 绕组和阻尼绕组中都会产生滑频电流，所以故障后相关电气量波动很大。 马= 詈 b = 2 图2 - 2 转子脉动磁场组成 f i g 2 - 2t h ep u l s a t i n gm a g n e t i cf i e l do fr o t o r 2 4 水轮发电机转矩分析 2 4 1 同步转矩 同步转矩是由转子励磁电流感应的磁场与定子同步旋转磁场相互作用产生 的。发电机正常运行时，如果忽略铜耗、铁耗以及机械损耗等，则同步转矩与 哈尔滨理t 大学t 学硕二l ：学位论文 原动机输入机械转矩大小相等方向相反，其表达式为： ro=(1+s)(2-4) p o ：业s i n ( 8 0 - s t ) ( 2 - 5 ) 式中：u 为发电机端电压；只为电磁功率；r o 为同步转矩；& ( f ) 为感应电 势，并且随励磁电流拓的减小成指数规律下降；x d 为纵轴电抗；8 0 为f = 0 时刻 的功角。 失磁故障后，同步功率随着励磁电流的减小而减小。由于调速器来不及动 作，转轴上产生了剩余转矩，转子开始加速并出现负转差，功角6 = 8 0 s t 开 始增大。当万 + 一2 三，c t 三 ；) = ： c 4 7 ， 4 2 2 定转子回路方程 1 定子回路方程1 0 0 0 m w 水轮发电机定子电路采用星型接法，其等效电 路如图4 - 2 所示，由图可知定子回路方程为 l l i i ：有 ：哩 i 兀 ：区 ：域 i l il 图4 - 2 定子绕组同路示意图 f i g 4 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fs t a t o r , w i n d i n gc i r c u i t u 小丘誓= + ，f b + 厶訾= 气帆+ 厶訾= 心 ( 4 - 7 ) 可用向量磁位表示相绕组感应电动势，如式4 8 所示。 p = 等善皿p 筹出 ( 4 - 8 ) s 乞三j 眠1a t 式中：厶仟为电机的轴向有效长度；g s 表示每槽绕组匝数；s 为相电流流出或 流入端导电区域的总面积。 方程中包含j 、a 4 a t 、d l d t 三组变量，写成矩阵的形式如式4 - 9 所示。 m 丝+ r + k 掣：u ( 4 9 ) 研 。c l t 式中：u 、1 分射为定子三相电压和电流组成的列向量；m 、r 、k 分别为定 子相应的系数矩阵。 2 转子回路方程水轮发电机直接短路失磁后，励磁绕组的等效外电路如 图4 3 所示，其中厶d 。为有限元区域，r f 为励磁绕组电阻，厶为励磁绕组漏 抗。正常运行时k l 、k 3 断开，k 2 闭合，坼为额定励磁电压。 哈尔滨理工人学t 学硕1 ：学位论文 譬+ ( 1 + 尼) 尽+ 三。盟：阢a 式中： 、耳、k 分别为转子相应的系数矩阵t ；将公式( 4 9 ) 、( 4 -合(4并-1可0)n1 0 ) 喜善主 i + 毒丢、三 妄 三 = 麦 c 4 - ， 4 2 3 转子运动方程 水轮发电机转子运动方程如式4 一1 2 所示。 计学划胁厶警一 q 一塑：o 、7 式中t 发电机电磁转矩； l 发电机转子转动惯量； h 向量磁位表示电磁转矩的二次型矩阵。 臼转子机械角速度； l 一一输入转矩； 口转子机械角。 由式4 1 l 和4 1 2 可以得到水轮发电机瞬态电磁场边值问题的方程组，如 公式4 1 3 。 哈尔滨理t 大学工学硕上学位论文 ksb q q or000 0 0 r ，0 0 彳t h0000 o0olo a l s l l q 口 + p0 m l 强 0 0o 00 4 2 4 失磁故障联合仿真模型 0oo 000 k 0 0 0 一j 。0 00一l a a t 彳 i i t q 矽 0 u u 瓦 0 ( 4 1 3 ) 为了观察1 0 0 0 m w 水轮发电机失磁故障后内部磁场的分布情况以及气隙 磁密的畸变程度，同时简化转子励磁回路控制以实现对输入机械功率和励磁电 压的连续控制。本文采用了s i m u l i n k 、a n s o f l 和s i m p l o r e r 的联合仿真。 基于以上理论基础，利用有限元软件a n s o f l 建立了水轮发电机二维物理模 型，对发电机输入及输出各量实行外电路控制，其次在s i m u l i n k 中添加包括调 速系统及励磁调节系统