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核电多相环形无刷励磁机励磁绕组匝间短路故障分析与在线监测

常江  
【摘要】:多相无刷励磁机作为一种特殊的同步发电机,多用于核电站中为发电机提供高品质的励磁电源。在无刷励磁机内部故障频发的情况下,励磁机目前的“弱保护”状态已无法满足机组安全稳定运行的要求。为实现对多相环形无刷励磁机励磁绕组匝间短路的在线监测,本文在数学建模、仿真实验对比、故障特征及其机理、故障在线监测原理及故障保护装置等方面进行了研究。基于多回路分析法,本文首先提出了多相环形无刷励磁机励磁绕组匝间短路的一般数学建模方法。以单个线圈为基本单元,构建了各组成部分间电感参数矩阵。考虑电机定转子实际连接,根据回路组成建立多相无刷励磁系统方程组。考虑故障发生后励磁回路变化情况,根据二极管导通关断状态,实时更新基本回路矩阵,完成最终的迭代求解。为验证数学建模方法的正确性,首先根据5对极11相实验样机的相关参数,建立了该电机的数学模型,计算了样机的定转子各侧自互感参数。在实验样机上进行了实验研究,对比了相关电气量实验与仿真波形。样机的实验和仿真波形吻合度高,验证了一般建模方法的正确性。仿真与实验结果间存在一定的误差,本文总结了产生误差的原因并讨论了可提高数学模型精度的办法。为明确故障后定转子电流谐波特征,提出了无刷励磁机励磁绕组匝间短路故障的一般机理分析方法。以一般m相P对极无刷励磁机为分析对象,从故障时定、转子绕组产生的磁场及其相互感应作用入手,理论分析了定、转子电流的稳态故障特征。分析表明励磁电流中存在m/P倍次谐波而电枢电流中存在各次谐波。多相环形无刷励磁真机的仿真研究进一步证明了机理分析的正确性。作为上述机理分析的延伸,对不同类型同步发电机的结构进行调研,总结了一般同步发电机常用的电枢绕组形式,并分析了电枢绕组形式对故障后稳态励磁电流谐波特性的影响,完善了一般同步发电机励磁绕组匝间短路故障一般机理分析方法。总结了无刷励磁机发生不同内部故障时故障特征,明确了多相环形无刷励磁机励磁绕组匝间短路的故障特征独有性。基于定子励磁电流所发生的变化规律,制定了相应的励磁绕组匝间短路故障监测原理,进行定值整定。根据上述保护监测原理,研发了监测装置,并于实验样机上测试了监测装置性能。实验结果验证了检测原理的有效性以及监测装置的电气量采样、电气量计算以及故障判断的正确性。


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