（电力系统及其自动化专业论文）能量变换器内部短路故障仿真与保护.pdf

哈尔滨理1 = 人学丁学硕t j 学位论文 s i m u l a t i o na n dp r o t e c t i o no fi n t e r n a ls h o r tc i r c u i t f a u l t sf o rp o w e r f o r m e r a b s t r a c t p o w e r f o r m e ri san e wk i n do fh i 【g h v o l t a g eg e n e r a t o r , w h i c hc a nb ec o n n e c t e d t op o w e rn e t w o r kd i r e c t l y i to m i t st h ei m p a c tv o l t a g ep r o t e c t o r s ，t h eg e n e r a t o r b r e a k e r ，b u sb a r s ，a n dt h es t e p - u pt r a n s f o r m e r t h ep o w e rp l a n t se q u i p p e dw i t h p o w e r f o r m e r sh a v ea d v a n t a g e so fl o wc o s t ，h i g he f f i c i e n c ya n dl o wm a i n t e n a n c ee t c a saw h o l e p o w e r f o r m e ra p p e a r e da tt h ee n do fl a s tc e n t u r y ，a l t h o u g ht h e r ea r es o m e p o w e r f o r m e r so p e r a t i o n ，t h ea n a l y s i so nt h e ms t i l la ts t a r t i n gs t a g e s os t u d y i n go n o p e r a t i o nl a w sa n df e a t u r e sa b o u tp o w e r f o r m e rh a st h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n d e n g i n e e r i n gv a l u e t h ei n t e r n a l s h o r tc i r c u i tf a u l t sa x es e r i o u sp r o b l e md u r i n g g e n e r a t o ro p e r a t i o n i no r d e r t od i s c u s st h ea n a l y s i sm e t h o d s ，c h a n g el a w sa b o u tf a u l t c u r r e n t sa n dp r o t e c t i o ns c h e m e st oi n t e r n a ls h o r tc i r c u i tf a u l t s ，t h i sd i s s e r t a t i o n r e s e a r c h e st h ei n t e r n a ls h o r tc i r c u i tf a u l t si np o w e r f o r m e r f i r s t l y , t h et r a n s i e n tp r o c e s so fp o w e r f o r m e rd u r i n gi n t e r n a l f a u l t si ns t a t o r s t u d i e dd e e p l yi nt h ed i s s e r t a t i o n t h e n ，m a t h e m a t i c a lm o d e l so fp o w e r f o r m e r , w h i c h c a na n a l y z ei n t e r n a lf a u l t s ，a x ep r o p o s e do nt h eb a s eo fad i r e c tp h a s er e p r e s e n t a t i o n a n ds i m u l a t em o d e l sa x eb u i l tf o u n do nm a t l a b s i m u l i n k t h em o d e l sn o to n l y s i m u l a t ef a u l t sw h e nt h eg e n e r a t o rn e u t r a lp o i n ti se i t h e rh i g hr e s i s t a n c eg r o u n do r e r e - s u p p r e s s i o nc o i lg r o u n d ，b u ta l s op e r f o r m w h e nf a u l t so c c u ra td i f f e r e n tl o c a t i o n s a l o n gt h ew i n d i n g s e c o n d l y , s i m u l a t i o n so nd i f f e r e n ti n t e r n a lf a u l t s ，i n c l u d i n gs i n g l ep h a s e t o - g r o u n df a u l t s ，t w op h a s e t o - g r o u n df a u l t s ，p h a s e t o p h a s ef a u l t sb a s e d o na13 0k w 5k vp o w e r f o r m e ra r ed o n e t h ec h a n g el a w so fs t a t o rc u r r e n t s ，f a u l tc u r r e n t sa n d g r o u n d i n gc u r r e n t sa r eo b t a i n e d l a s t l y , t op r o t e c tp o w e r f o r m e r si n t e r n a lf a u l t s ，t h er e l a yp r o t e c t i o ns c h e m e s a r e d e s i g n e d ，a n dt h ep r o t e c t i o np a r a m e t e r sa r ea n a l y z e da n dc a l c u l a t e di nd e t a i l t h e i i 哈尔滨理工人学工学硕j j 学位论文 s t u d yp r o v i d e s a l la c a d e m i cf i a ti ns o m ed e g r e ef o rc h o o s i n ga n dd e s i g n i n gt h e p r o t e c t i o ns c h e m e sf o rp o w e r f o r m e ri nt h ef u t u r e k e y w o r d sp o w e f f o r m e r , i n t e r n a lf a u l ta n a l y s i s ，t r a n s i e n ts i m u l a t i o n ，r e l a yp r o t e c t i o n i i i 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能量变换器内部短路故 障仿真与保护，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。 作者签名：荔、l 叭霞 日期：h 8 年。，月如日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 能量变换器内部短路故障仿真与保护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。 不保密囝。 ( 请在以上相应方框内打v ) 作者签名：与、l 斌莨日期：h 3 年。月3 。日 导师签名：& 皇军 日期：。召年歹月矽日 哈尔滨理t 人学- 丁学硕j j 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 1 1 1 研究能量变换器的目的和意义 传统电机的定子绕组导线是长方形的，这就导致导体表面的电场分布不均 匀，电场强度高。而且在绕组端部区域必须采取复杂的换位措施，以控制电场 强度，避免发生局部放电和电晕。传统发电机的设计原则使其输出电压不能超 过3 0 3 5k v ，而电力输送的电压已达到8 0 0k v 以上，因此，发电机必须经过 升压变压器与电网相连。1 9 9 8 年，在前人的经验和努力基础之上，a b b 公司 提出了一种全新的高压发电机。它能够直接和电网相连，即没有升压变压器和 发电机回路断路器，融合了发电机和变压器的功能，这种新型发电机被取名为 p o w e r f o r m e r ，国内把这种电机取名为能量变换器“刊。这种新型发电机的特别 之处是用已成型的高压交联聚乙烯( x l p e ) 电缆做定子绕组1 7 删。 研究能量变换器的意义在于这种新型发电机理念的新颖和对世界能源发展 的作用。能量变换器用已成型的电缆做定子绕组，不仅适用于水力、热力、风 力等发电，也可以在已建立的电站中进行新建和改装_ 3 。能量变换器相对于 传统的发电机有以下几个优势： 1 输出电压高，可以与电网直接相连，电厂可省去与传统发电机系统所必 需的封闭母线、输出断路器和升压变压器，以及电流互感器、电压互感器、避 雷针等，从而可以节省电厂的占地面积，降低电厂总投资费用约1 0 ，提高电 厂的总效率约2 n4 1 ； 2 采用能量变换器后，电厂单元减少，结构简单，维护工作量少，可靠性 较高； 3 在同等功率下，能量变换器的额定电流和故障电流较小，容易解决传统 发电机中由于电流大而带来的振动、焊接等问题； 4 能量变换器中最大损耗为定子铁心损耗，而定子铁心为地电位，故冷却 系统大为简化5 1 ； 5 使用能量变换器的电站对环境的重要贡献缘于效率的提高，从而减少对自 然资源的需求。由于省去了升压变压器，所以就避免了变压器漏油起火等环境 哈尔滨理t 人学工学顾 ：学位论文 和安全问题n 引； 6 冶邑量变换器的结构简单，制造工艺较简单，制造周期短。 1 1 2 课题研究意义 交流发电机定子绕组内部故障是电机常见的破坏性很强的故障。内部故障 时很大的短路电流会产生破坏性严重的电磁力，也可能产生过热，烧毁绕组和 铁心。故障产生的非同步磁场可能大大超过设计允许值，造成转子的严重损 伤，还可能对电力系统的安全运行造成巨大危害。它的安全运行对保证电力系 统的正常工作和电能质量起着决定性的作用。因此，配置可靠的发电机内部短 路主保护是电力工作者的重要任务。 发电机定子绕组单相接地是发电机最常见的一种电气故障，表1 - 1 是近些 年全国1 0 0m w 以上发电机发生的定子绕组单相接地故障数据统计。可以看 出，单相接地故障在发电机本体故障中占很高的比例。定子绕组单相接地的危 害性主要是流过故障点的电流产生电弧可能烧坏定子铁心，进一步造成匝间短 路或相间短路，使发电机遭受严重的破坏。因此设置定子接地保护具有十分重 要的意义。 表1 1 发电机定子绕组单相接地故障统计数据 t a b l e1 - 1s t a t i s t i c a ld a t ad u r i n gas i n g l e t o - g r o u n df a u l ti ns t a t o ro fg e n e r a t o r s 年份 1 0 0m w 以上发电机总 发电机本体故定子绕组单相接所占百分比 台数 障数地故障数 ( ) 1 9 9 45 3 24 561 3 3 3 1 9 9 56 1 07 12 02 8 1 7 1 9 9 87 7 26 72 32 2 3 9 1 9 9 98 0 43 01 13 6 6 7 2 0 0 08 6 82 362 6 0 9 2 0 0 19 1 31 731 7 6 5 2 0 0 29 6 53 282 5 虽然定子绕组的相间短路发生的频率在所有内部短路故障中最低，但它对 发电机的危害却是最大的。相间短路时产生很大的短路电流使绕组过热，故障 点的电弧将破坏绝缘，烧坏铁心和绕组，甚至导致发电机起火。所以发电机相 间短路保护不容忽视。 能量变换器是一种新型的高压发电机，其定子绕组采用的是高压电缆技 术，这可能会导致其运行时和普通同步发电机不同n 7 。1 刚。所以必须从理论上进一 步揭示内部故障后的运行状态及各个故障特征量的变化规律，以便评价和确立 不同的保护方案，提出和研制新型保护装置。 哈尔滨理t 人学_ t 学硕f ：学位论文 1 2 交流电机定子绕组内部故障的研究状况 交流电机定子绕组内部故障是常见的危害性严重的故障之一。从2 0 世纪 6 0 年代的对称分量法到现在的多回路理论，经历了较为漫长的历史过程。概况 起来主要是下面几种分析方法： 1 对称分量法早在2 0 世纪6 0 年代，k i n i s t yva 就用对称分量法进行了 交流电机内部故障研究“引。我国学者也试图用该法分析内部故障心训。该方法通 常以分析气隙磁场的空间基波和电流、电压的时间基波为主，而定子绕组内部 故障时，气隙磁场的分数次谐波和低次谐波很强他。对称分量法无法考虑这些 谐波的影响，因而误差很大。 2 相坐标法文献 2 2 1 采用相坐标法研究电机的运行行为。相坐标法可以考 虑气隙磁场的谐波作用，对分析电机的谐波问题和电力系统的不对称问题十分 方便，但当涉及交流电机内部故障问题时，以相绕组为基本单元的相坐标法也 有其局限性。 3 多回路分析法由我国学者首次提出的交流电机多回路理论他引，显著地提 高了匝间故障定量计算的精度，使电机定子绕组的故障保护有了重大的进展。 该法以单个线圈为单元，列写电机各回路的电压方程和磁链方程，计算电机各 回路的电感系数，这样就得到一个时变系统的微分方程组，解这个方程组就得 到了瞬态和稳态电流。 文献1 2 4 1 用多回路分析法分析了凸极同步发电机空载稳态时定子绕组内部 故障，计算了用其它方法难以计算的定子绕组所有分支电流，充分考虑了绕组 的结构、连接方式、故障的空间位置等因素对定子绕组内部故障的影响，对各 种内部不对称稳态作了深入的研究。 文献1 2 5 1 进一步分析了负载稳态时定子绕组内部故障，并考虑了电机饱和 的情况，建立了凸极同步发电机负载稳态时定子绕组内部不对称的数学模型， 提出了求解方法和内部故障保护方案。 虽然多回路分析法可以对凸极同步发电机空载、机端外部各种短路方式的 瞬态和稳态进行研究，但是应用多回路分析时，需要获得发电机的大量精确参 数，在现阶段的能量变换器故障仿真中，这些参数还难以获得。 针对上述问题，本文采用直接相量法。在将故障分支分割等效成2 个独立 的子绕组后，正确计算了故障子绕组的有效匝数和磁轴正方向，建立了能量变 换器内部故障分析的数学模型。 。 哈尔滨理工人学工学硕j j 学位论文 1 3 发电机中心点接地方式概述及国内外基本状况 1 3 1 发电机中性点接地方式概述 大型发电机中性点接地方式的合理选择，是涉及机组安全运行的重要技 术问题。随着发电机单机容量不断增大，人们对发电机安全运行的要求也越来 越高，对发电机中性点接地方式的选择也越来越重视。发电机中性点的接地方 式，概括有以下几种类型心6 1 ：( 如图1 - 1 所示) a ) 中性点不接地 a b c b ) 中性点直接接地 a b c 图1 - 1 发电机四种接地方式 f i g 1 - 1f o u rn e u t r a l - p o i n tg r o u n d i n gm o d e so fg e n e r a t o r 1 中性点不接地其特点为： ( 1 ) 由于中性点不接地，因此当发电机定子发生一点接地时，只有很小的 电流； ( 2 ) 由于接地电流很小一般不会由于接地而使发电机严重损害，使修复比 较容易； ( 3 ) 当发生接地时，另外两项健全相的电压，必然会升高3 倍，使健全相 过电压； ( 4 ) 继电保护实现较为容易，一般只作用于发信号，此种接地不会影响发 电机的正常运行，可实现平稳停机。 此种接地方式只适用于5 万千伏安容量以下的小机组。对于大机组，由 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文 于定子绕组一相接地，会使健全相相电压升高3 倍，同时由于大机组的电容 电流一般都大于5a ，这样就使得接地点灭弧很困难，而烧毁铁芯，因此，大 机组不能采用这种接地方式。 2 中性点直接接地其特点为： ( 1 ) n 发电机中性点采用直接接地时，当定子绕组发生一点接地时，必定会 产生较大的接地电流，由于接地电流大，会使发电机产生严重损坏，使修复困 难； ( 2 ) 由于有较大接地电流，使继电保护必定在瞬时作用于开关跳闸，给系统 造成大的冲击； ( 3 ) 采用直接接地，不会造成非故障相过电压。 此种接地方式，无论机组容量大小，都没有使用价值，一般均不采用。 3 发电机中性点经配电变压器的接地方式其特点为： ( 1 ) 它是靠调整接地变压器二次侧的电阻来限制故障的有功电流： ( 2 ) 此种方式也可以使接地电流减小，但比消弧线圈方式稍大，所以，使发 电机铁芯损伤的可能性增大； ( 3 ) 实现较消弧线圈复杂，但此种方式产生谐振过电压的可能性很小； ( 4 ) 当发生接地时，比消弧线圈接地运行时间短； ( 5 ) 短时间内可使发电机平稳停机。 发电机经配电变压器的接地方式，也可以为大机组接地方式选择的一种。 4 采用消弧线圈接地方式其特点为： ( 1 ) 在定子绕组发生单相接地故障的状态下，消弧线圈将在零序电压作用 下，产生电感电流，以补偿发电机系统的电容电流，使单相接地电流小于安全 电流； ( 2 ) 完全不须操作，即能自行补偿接地电容电流，不管接地故障起因是什 么： ( 3 ) 显著减小接地故障电流和持续时间，使发电机损伤减至最小； ( 4 ) 简单而又可靠地限制故障的恶性发展； ( 5 ) 通过参数合理配置，可使接地电流降至1a 以下，而小于安全允许值， 接地保护不必紧急事故跳闸，就可以实现发电机转移负荷而平稳停机； ( 6 ) 发电机中性点经消弧线圈接地后，可使接地故障电流减小到安全电流以 下。从而有效地防止了接地故障发展成相间或匝| 1 自j 短路，使故障点电弧时间大 为缩短。特别是在补偿良好时更是如此。 所以，发电机中性点通过消弧线圈接地方式，可广泛用于大型发电机组， 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论文 但出口必须配置防止过电压的保护装置，作用于跳闸，只有这样，才能完善发 电机经消弧线圈接地的简单方式。 1 3 2 国内外大型发电机中性点接地方式的基本状况 1 9 8 8 年国际大电网会议第2 3 届专业委员会第6t 作组发表了一份关于 “发电机、发电机升压变压器中性点接地方式的报告幢7 1 ，该报告统计了1 9 7 5 年以来投入运行的单机容量为5 0 1 6 4 0m v a 的7 5 4 个大中型发电机组。征询 结果显示： ( 1 ) 有5 3 选择了经配电变压器高阻接地，其中2 5 6 个机组为经单相配电变 压器电阻接地，1 4 0 个机组采用经y , d 接线的三相配电变压器电阻接地； ( 2 ) 1 5 家公司的1 5 4 个机组为直接经高电阻接地，占2 0 ； ( 3 ) 两家公司的1 0 6 个机组采用了经低压电阻接地方式，占1 4 。值得注 意的是，虽然是低阻接地方式，但定子绕组单相接地故障电流已指明限制到 2 0 3 0 a ，也就是说与高阻接地方式相近； ( 4 ) 7 家公司的7 7 个机组中性点没有接地，但是发电机组的三相出1 ：3 处均 接了副边为开1 2 1 - - - 角型的v , d 接线的配电变压器，其原边中性点接地，副边开 口三角接电阻，并且接地。这实际是一种经过变化的中性点接地方式； ( 5 ) 有3 家公司的1 7 台机组选择了经消弧线圈接地方式，所占比例非常 少。 当然这个统计结果并未包括中国和原苏联等国家的有关资料，而当时这些 国家的绝大多数大型发电机采用了经消弧线圈接地方式。 另外，值得一提的是，美国n e we n g l a n d 系统的发电机多年来一直采用经 消弧线圈接地方式幢引，积累了一定的运行经验。 再看国内的情况。我国早年学习原苏联，大型水轮发电机中性点绝大多数 是经消弧线圈接地方式，并积累了丰富的运行经验。我国现有的5 0m w 以上 的水轮发电机，中性点经消弧线圈接地的运行经验已有5 0 多年。2 0 世纪6 0 年 代末、7 0 年代初丹江口水电站6 台1 5 0m w 水轮发电机均采用经消弧线圈接 地方式；2 0 世纪8 0 年代葛洲坝电站1 9 台1 2 5m w 和2 台1 7 0m w 水轮发电 机也都采用经消弧线圈接地方式。但是，在这之后，我国又逐渐向美国等西方 国家学习，国产大型发电机组以及引进国外的大型机组大多数改为经配电变压 器高阻接地方式。如何配置大型发电机中性点接地方式仍然是一个值得研究的 问题。 哈尔滨理工人学工学硕i ：学位论文 1 4 发电机定子故障保护概况 1 4 1 发电机定子单相接地保护发展概况 传统的发电机定子绕组单相接地保护方案有以下两种： 1 双频式定子单相接地保护双频式定子单相接地保护，是对基波零序电压 型保护方案和三次谐波电压型保护方案的统称。其中基波零序电压型保护方案 是在发生单相接地时，通过检测机端或中性点处零序电压来判别接地故障，简 便易行。但由于发电机三相绕组对地电容不完全对称，正常时中性点存在位移 电压，该方案在中性点附近存在保护死区晗引。 三次谐波电压型定子接地保护是利用单相接地故障前后发电机中性点与机 端处三次谐波电压变化特点不同构成的m 1 。正常运行时，中性点三次谐波电压 比机端三次谐波电压大；而在中性点附近发生接地故障时，机端三次谐波电压 增大，中性点三次谐波电压降低。由机端和中性点双侧三次谐波电压构成的判 据，能综合考虑三次谐波电压的大小和相位变化，因而具有较高的灵敏度和可 靠性。基于稳态量的三次谐波电压型保护主要是为了消除基波零序电压型接地 保护在中性点附近的保护死区。二者相配合就构成了1 0 0 双频式定子接地保 护。 文献3 1 3 3 1 给出了实际应用中双频式定子接地保护的动作方式、可能碰 到的误动情况及解决方法。另外在发电机启、停机过程中，双频式保护会失去 作用，必须增设启、停机过程的定子接地保护装置b 4 1 。 2 ； b j n 电源注入式定子接地保护这类保护是根据发电机正常运行时整个三 相定子回路对地是绝缘的，而发生单相接地故障时这种对地绝缘就被破坏这个 最直接区分正常运行和故障的特征，在发电机定子回路与大地之间外加了一个 信号电源。正常运行时，信号电源不产生电流或产生的电流很小。发生接地故 障时，该电源产生相应频率的较大接地电流，使保护动作。因为信号是外加 的，不受接地位置的限制，能完成1 0 0 定子接地保护的目的。 现有的； b j n 电源型保护包括 b j n 直流电源型，j b 力n - 次谐波分量型，外加 1 2 5h z 或1 5h z 交流电源型及外加2 0h z 电源型。其中国内比较常用的是外加 1 2 5h z 和外加2 0 h z 电源型。 该类保护在发电机静止、起停和运行过程中均有保护作用，灵敏度高并有 可以进行绝缘监测的突出优点，有广泛的应用前景。但均需外加信号电源，对 哈尔滨理t 人学t 学硕j j 学位论文 电压的可靠性和性能有较高的要求，现场调试也比较复杂。 近些年来清华大学，华中科技大学致力于发电机定子接地保护研究的学者 们提出了一些新型的定子接地保护方案。其中一些是从保护原理上进行了改 进，另一些则是采用了先进的信号处理方法。原理上主要提出了自适应方案和 基于故障分量的方案，处理方法上主要采用了小波分析的方法。 1 新型三次谐波电压定子单相接地保护 ( 1 ) 自适应式三次谐波电压定子单相接地保护 文献3 5 1 中给出了通过自动跟踪中性点与机端两侧的三次谐波电压，采用 自适应三次谐波电压相量比差方案，进一步提高了保护的灵敏度，并且能够单 独完成定子绕组1 0 0 保护。但由于不能区分特征信号的变化类型，只能按最 大缓变范围来整定保护，从而限制了灵敏度的进一步提高。 文献f 3 6 ，3 7 1 中也采取了自适应判据，将发电机各种工况下动作量降至最 低，在一定程度上提高了灵敏度。但此判据需要较多的闭锁条件，增加了判据 的复杂程度。并且在大型汽轮发电机机端装设浪涌吸收电容的情况下，其灵敏 度有较大幅度的下降。 ( 2 ) 基于三次谐波电压故障分量的定子接地保护 文献 3 8 1 在分析发电机定子单相接地故障产生的故障暂态分量信息特征的 基础上，提出了一种基于三次谐波电压故障分量的定子接地保护方案。该保护 方案根据单相接地故障后机端和中性点三次谐波电压的故障暂态分量近似相同 的特点构成保护判据。 文献f 3 9 1 在它基础上，改进了保护判据，把两个故障分量的相量和与相量 差分别作为保护动作信号及制动信号，通过比较数据窗内相应信号的谱能量检 测定子单相接地故障。 2 采用新型信号处理方法小波变换构成的发电机定子接地保护小波分 析作为一种新颖的信号分析方法，一改傅立叶分析难以同时兼顾时域和频域局 部化的不足，能够将含有多种频率成分的被分析信号按一定的时间和频率分辨 率进行分解并逐步求精，具有近乎完美的双重化局部化性质并能有效的刻画信 号突变。因此，小波分析将成为发电机继电保护的强有力的信号处理工具。 1 4 2 发电机定子内部短路保护概况 1 传统纵差保护传统的发电机纵差保护是发电机定子绕组及其引出线发生 相间短路时的主保护。由于该保护动作判据对大多数被保护设备具有明确的选 哈尔滨理- t - 人学丁学硕l j 学位论文 择性和较高的灵敏性，近百年来始终是主设备内部短路的无可争议的保护方 案，为主设备的安全运行作出了重要贡献。 然而纵差保护只反映相间短路，对匝间短路、以及定子绕组开焊断线不起 作用。而大型发电机除了相间短路外还有匝间短路等故障，这样如果继续采用 纵差保护，势必要增设反映匝间短路的其它保护，而且还要各自装设双套，装 置的复杂化自不待言，装置复杂化所引起的运行上的不安全以及电流互感器二 次断线造成的保护误动作，更为大型主设备保护所不容许。出路在于寻求一种 简单可靠的能反映所有内部故障的保护方案，这种方案首推高灵敏单元件横差 保护及不完全纵差保护h 训。 2 不完全纵差保护不完全纵差保护，只接入中性点侧的部分相电流，如图 1 2 所示。但其功能却扩大为对相间短路、匝间短路和分支开焊断相均起保护 作用。它的理论依据是：发电机三相绕组在定子铁心上是相互邻近或交迭的， 彼此之间存在或大或小的互感，不论故障发生在装设或不装设2 c t 的分支绕组 中，2 c t 均能感受到故障电流。因此不完全纵差保护能对发电机内部各种故障 均有作用。 b 图1 - 2 发电机综合差动保护 f i g 1 - 2c o m p o s i f i v ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o no fg e n e r a t o r 3 高灵敏单元件横差保护如图1 2 所示：在两个中性点0 1 与0 2 之间接入 互感器3 c t ，二次接横差继电器。发电机内部发生的各种相间短路和同相绕组 的匝间短路。实际上都将使a 1 、b 1 、c 1 半个三相与a 2 、b 2 、c 2 另半个三相之 间的对称性破坏，从而产生流过0 1 、0 2 联线的零序电流，横差保护动作。显 然图1 2 中接于3 c t 的横差保护，对机内所有实际可能发生的相问匝间短路以 及分支绕组的开焊断相均有保护作用，决非仅对匝间短路有效。当然此保护不 哈尔滨理_ 下人学丁学硕l j 学位论文 反映机外的各种短路。 对于现今的大型发电机主保护配置方案一般多采用多种方案综合使用的形 式，这样可以达到扬长避短的效果。通常采用的方案有：“零序电流型横差保 护+ 不完全纵差保护 、“裂相横差保护+ 完全纵差保护 。即所谓的“一横一 纵的保护方案。 1 5 本文研究的主要内容 本课题是国家自然科学基金项目“能量变换器运行机理的基础研究 的一 部分( 项目编号：5 0 5 7 7 0 1 2 ) ，以能量变换器内部短路故障的研究为主要内容。 本文建立了能量变换器内部短路故障分析的数学模型和仿真模型，在此基 础上对其不同内部短路情况进行了研究，并制定了相应的短路保护措施。所作 的具体工作有以下几个方面： 1 研究能量变换器的主要结构特点、设计要点； 2 以一台能量变换器样机为例，建立内部短路分析的数学模型； 3 用m a t l a b s i m u u n k 工程软件建立内部短路分析的仿真模型，并对 不同内部短路情况进行分析研究，这些短路情况包括单相接地短路、两相接地 短路、相间短路； 4 针对能量变换器样机特点，制定其定子单相接地和内部相间短路保护方 案。 哈尔滨理t 人学r t 学硕j ：学位论文 2 1 引言 第2 章能量变换器内部单相接地故障的分析 与仿真 在稳态对称条件下工作时，三相同步电机的电压、电流等许多性能指标均 较为良好。因此，大多数同步电机都是按照这样的运行情况来设计，同时，也 尽量设法在这样的条件下来使用。但在实际运行中，不对称运行总会出现。因 此，对同步电机的不对称运行方式加以了解和分析，就具有重要的实际意义。 同步电机的不对称短路，包括相间短路、单相对中性点或单相接地短路、 两相对中性点或两相接地短路几种类型。电机中性点直接接地时，对中性点短 路和接地短路就不再有区别。 本章讨论能量变换器内部单相接地故障，在接下来的两章将分别讨论两相 接地和相间短路故障。 2 2 不对称短路的物理过程 为使物理现象的分析更清晰，设电机在短路前空载；短路过程中，转速保 持同步转速不变；励磁电压不可调。这些假设也是本章和下面两章中所采用的 基本假设h 。 短路前，空载运行的电机的励磁绕组中有定值励磁电流，阻尼绕组电流为 零；定子绕组开路，电流为零。由励磁电流产生、链过定子三个相绕组的磁 链，也就分别是这些绕组的合成磁链。由于转子以同步速转动，这些磁链也都 按正弦规律以同步角频率交变。 突然短路后，短路相绕组突变为闭合绕组。闭合时，遵守闭合绕组磁链不 能突变的磁链守恒定律。在短路前瞬间，由励磁电流产生并链过这些短路相绕 组的磁链，就如同被“捕获 在相应的绕组之中。显然，这种被“捕获”磁链 的大小，取决于突然短路瞬问转子的位置。 无疑，与这种被“捕获”磁链相对应的磁场在空间不动，而为维持这一空 间不动的磁场，短路相绕组中必须有直流电流流通。这是不对称短路时定子绕 哈尔滨理丁大学t 学硕l ：学位论文 组中的第一个电流分量。 转子继续向前转动，有使励磁电流产生的磁通仍穿越定子各相绕组，使之 仍具有按正弦规律以同步角频率交变磁链的趋势。但因这时短路相绕组已闭 合，必须服从闭合绕组的磁链守恒定律，其中必须有同步角频率交流电流产生 交变磁场，以抵制直流励磁电流产程磁通的穿越。这是不对称短路时定子绕组 中的第二个电流分量。 转子继续运动，被定子短路相绕组“捕获”的磁链又有穿越转子各绕组， 使之具有按正弦规律以同步角频率交变磁链的趋势。但因转子各绕组也都属闭 合绕组，其中也必须有同步角频率交流电流产生交变磁场，以抵制定子这种磁 通的穿越。这些电流就是不对称短路时转子各绕组中，除定值直流励磁电流外 的角频率交流电流分量。 又因转子各绕组都属单相绕组，其中流通的同步角频率交流电流产生的各 交变磁场，都可分解为两两成对、以同步角速度相对转子反向和正向旋转的磁 场。其中，反向旋转各磁场在空间不动，与定子直流电流分量产生的磁场相 对，迫使后者的磁通不能穿越转子绕组。正向旋转各磁场又将在闭合的定子短 路相绕组中，感生以两倍同步角频率交变的交流电流。即使转子上没有任何闭 合绕组，由于转子正、交轴向磁路磁导不等，这种以两倍同步角频率交变的交 流电流也将存在。这是不对称短路时定子绕组中的第三个电流分量。 至此，实际上仍未真正涉及不对称短路的特点。因定子绕组电流中的直流 分量、同步频率交流分量、两倍同步频率交流分量以及转子绕组电流中的直流 分量、同步频率交流分量，在三相短路时也同样存在。不对称短路的特点在于 定子三相绕组中流通时产生的磁场，总可以分解为两两成对、以相应角速度相 对定子正向和反向旋转的旋转磁场；三相电流不仅不对称、而且不平衡时，则 还有一组三相同相位脉变的磁场。 于是不对称短路时，定子短路相绕组中流通的同步角频率交流电流分量， 将产生两个分别以同步角速度相对定子正向和反向旋转的磁场。其中，正向旋 转磁场与励磁绕组中定值直流励磁电流产生的磁场同步、同向旋转，并与之相 对，从而有削弱后者的趋势。励磁绕组和正轴阻尼绕组中，必须各有一直流电 流增量，产生磁场，以抵制这种削弱。这就是与三相短路时相似的、励磁绕组 和阻尼绕组直流电流增量。反向旋转磁场则显然将在所有转子绕组中，都感生 以两倍同步角频率交变的交流电流。后者已是转子绕组中包括定值直流励磁电 流在内的第四个电流分量。至于可能出现的定子三相同相位脉变磁场，只是定 子各相的漏磁场，对转子绕组不产生影响，不予分析。 哈尔滨理t 火学t 学硕f ：学位论文 仍因所有转子绕组都属单相绕组，上述两倍同步频率交流电流在其中流通 时产生的各交变磁场，都可分解为两两成对、以两倍同步角速度相对转子反向 和正向旋转的磁场。其中，反向旋转各磁场与相对定子以同步角速度反向旋转 的定子磁场同步、同向旋转，并与之相对，迫使后者的磁通不能穿越转子绕 组。正向旋转各磁场则又将在闭合的定子短路相绕组中感生以三倍同步角频率 交变的交流电流。即使转子上没有任何闭合绕组，由于转子正、交轴向磁路磁 导的不等，这种以三倍同步角频率交变的交流电流也将存在。这已是不对称短 路时定子绕组中的第四个电流分量。 按此继续推理可见，定子短路相绕组中的两倍同步角频率交流电流，又将 产生两个分别以两倍同步角速度相对定子正向和反向旋转的磁场。其中，反向 旋转磁场又将在各转子绕组中感生以三倍同步角频率交变的交流电流。诸如此 类，循环不已。 归纳以上论述可见，不对称短路瞬态过程中，无论定子或转子绕组中，都 各有两组电流分量，即：源于定子短路相绕组中被“捕获”磁链或定子绕组电流 直流分量的转子绕组电流各奇次谐波分量，以及与它们对应的定子绕组电流各 偶次谐波分量；源于励磁绕组中定值直流励磁电流的定子绕组电流各奇次谐波 分量，以及与它们对应的转子绕组电流直流分量增量和各偶次谐波分量。 由于不对称短路瞬态过程中，转子各绕组电流中不仅有直流分量，还有一 系列奇次、偶次谐波分量。以致正常相电压中，将不仅包含以同步角频率交变 的分量，还将包含一系列偶次、奇次谐波分量，其结果将使它们的波形发生畸 变，甚至形成过电压。 然后可分析由于电机各绕组有电阻而导致的自由分量电流的衰减。显然， 所有源于定子绕组中被“捕获”磁链或定子绕组电流直流分量的转子绕组电流 各奇次谐波分量和定子绕组电流各偶次谐波分量，都将由各自的起始值衰减为 零。它们的衰减时间常数都取决于定子绕组电阻。所有源于励磁绕组中定值电 流励磁电流的定子绕组电流各奇次谐波分量和转子绕组电流各偶次谐波分量， 都将由各自的起始值衰减为零。它们的衰减时问常数，都取决于励磁绕组和阻 尼绕组电阻。 2 3 能量变换器定子内部单相接地故障数学模型 在建立能量变换器数学模型时，作如下假设： ( 1 ) 忽略空间谐波。设三相绕组对称，所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规 哈尔演理丁火学t 学硕一l ：学位论文 律分布； ( 2 ) 忽略磁路饱和，磁滞等因素： ( 3 ) 由于电容电流对短路电流的贡献很小，故忽略定子绕组对地接地电容的 影响； ( 4 ) 不考虑频率和温度变化对绕组电阻的影响； ( 5 ) 不计中性点接地装置的非线性效应； ( 6 ) 发生故障前后，励磁为额定励磁状态，转予以同步转速运动； ( 7 ) 发生短路前，电机空载运行。 下面在建立电机各回路的电压方程和磁链方程时，各电磁量正方向是这样 选择的：在所有回路中，正值的电流都产生正值的磁链；电压、电流关系都按 电动机惯例，即向绕组方向看，回路电压与电流的正方向一致。反映能量变换 器单相接地数学模型的电压、磁链、电流、运动方程如下文所示： 1 电压方程能量变换器内部发生单相接地故障( 以a 相接地为例) 时，其各 个子绕组的正方向如图2 1 所示，其中a ) 为绕组分割示意图，b ) 为绕组空间分布 示意图。假定能量变换器每相x 个并联支路，当研究内部故障时，必须分割故 障支路。故障支路以故障点为界，以电角度饺将故障支路分成两部分：a m 靠近 中性点的子绕组，称为m 绕组；靠近机端的子绕组称为v 绕组。剩下的工1 个a 相 非故障支路，集中等效成一个p 绕组h 别。 分支p a ) 绕组分割示意图b ) 绕组空间分布示意图 图2 1 能量变换器定子单相接地故障绕组示意图 f i g 2 1w i n d i n gd i a g r a mo fp o w e r f o r m e rd u r i n gas i n g l ep h a s e t o g r o u n df a u l ti ns t a t o r 定义m 、n 为子绕组m 、g 的有效匝数；a m 、a 。为子绕组m 、 的磁轴正 方向电角度。文献【4 2 1 提供了一种将子绕组磁动势( m m f ) 进行空间傅立叶分解 的方法。分解后，可利用基波分解幅值计算相应子绕组的等效正弦分布绕组有 效匝数，基波分量幅值最大值处即为相应子绕组的磁轴正方向1 4 2 j 3 7 3 - 3 7 4 。设c 为一条支路的有效匝数，则子绕组m 和行的有效匝数和磁轴j 下方向电角度的计 算公式如下： n = 丝 m p 哈尔滨理1 = 人学 = 学硕j j 学位论文 肾一a ( 鬲盖南 n = n c 、a 2 - 2 a s i n a c o s a + s i n 2 a 。 p 口n = l a r c t a n l i s i n 2 口 口- s i n ( 2 a ) 2 能量变换器内部发生单相接地( 以a 相接地为例) 的电路图如图2 - 2 所示。 图2 2 能量变换器定子单相接地故障电路示意图 ( 2 1 ) f i g 2 - 2c i r c u i td i a g r a mo fp o w e f f o r m e rd u r i n gas i n g l ep h a s e t o - g r o u n df a u l ti ns t a t o r 由图2 2 可得，定子绕组电压方程： 式中：p 为微分算子。 励磁绕组电压方程： 甜。一u o = 0 + p 妒。 z = + p 妒。 u p 。1 1 0 ：r p i p + p 妒p “。= 吃+ p 缈6 椎- u o = 乞乏+ p 妒。 1 5 ( 2 2 ) 哈力；滨理t 大学丁学硕i ：学位论文 u f = r ，i i + p v ， ( 2 - 3 ) 由于阻尼绕组回路相当于短路，各阻尼回路的电压都为0 ，则阻尼绕组电 压方程： ( 2 4 ) 2 磁链方程由于规定在所有回路中，正值的电流都产生正值的磁链，则所 有回路的磁链可表示为t 矽：， ( 2 - 5 ) 单相接地故障时磁链与电流的关系式如下： 妒。 矽。 妒。 缈6 缈。 吨f 妒d 缈q l m 。 m p m m b m m m m 两 m 抽 m q m m m l m b m 砷 厶 m c b m 历 m 曲 m q b ( 2 6 ) 式中：、i ，、三，为y 绕组的磁链和自感；m 瞄为y 绕组和z 绕组之间的互感。 ( y 、z 可取m ，月、p 、b ，c 、厂d 、g ) 由于定、转子之间的相对运行，定子绕组与转子绕组之间的互感是时变 的，对于凸极同步发电机，由于气隙不均匀，定子各回路的自感、互感也是时 变的。所以是时变矩阵，其中各电感计算方法不赘述，具体的计算公式可参 见文献 4 3 4 7 1 。 3 转子运动方程能量变换器转子运动方程满足： 又 d 2 6 d t 2 = ( 乙一t ) ( 2 日)( 2 7 ) ( 2 8 ) o 0 宣 = 眦毗 + + 啊 = = 掰 ” k0000b0 儿肌蜘批以o o 厶 厶。鼬砌砌砌砌乃砌o 蚝厶咏蚝如儿易以肌胁如厶蚝虬咏蚝 叫训j 胁胁p嗡魄毗 = = = r 1 r 1 2 哈尔滨理下大学t 学硕一1 ：学位论文 故有 d ：6 d t 2 = p 戗- p 。) ( 2 h )( 2 9 ) 式中：为机械转矩；兀为电磁转矩；h 为转子转动惯量；p 为电