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分数极路比同步发电机内部故障建模及暂态电磁问题研究

肖士勇  
【摘要】:大型同步发电机是发电站及系统的核心装备之一,保证其平稳正常的运行是维持整个电力系统安全性和稳定性的重要前提。定子绕组短路是发电机常见的且破坏力严重的故障形式,因此,大型同步发电机内部短路故障分析计算及其主保护配置方案研究一直是国内外关注和研究的热点。为了解决大型同步发电机容量、电压和转速不匹配的问题,新型的分数极路比交流绕组在国内某抽水蓄能电站得以应用。本文以大型分数极路比同步发电机为研究对象,对其内部故障数学模型的建立,故障后阻尼涡流损耗和铁心动态电磁力的计算,以及主保护方案的配置等新课题进行了研究。推导了分数极路比绕组变节距定子线圈间互感、定子和阻尼以及定子和励磁回路互感计算公式。给出了适用于典型内部故障的通用回路变换矩阵,建立了分数极路比同步发电机内部故障的多回路模型。该模型考虑了气隙磁场谐波和绕组空间排布对仿真结果的影响,并通过修正短路线圈的磁导系数,提出了处理铁心局部饱和对故障电流影响的方法。所建立的多回路模型同样适用于常规绕组同步发电机内部故障的分析。提出了大型同步发电机内部故障的精确场路耦合模型。依据定子线圈的实际结构,将场路耦合模型中的每个定子线圈进行拆分,建立了定子线圈的局域化模型。可在线圈局域化模型间建立更加接近实际短路位置的故障点,区别仿真发生在端部和槽内的短路故障,对故障电流进行精确地仿真计算。提出了大型同步发电机内部故障模型的旋转耦合技术,简化了定转子相对运动问题的处理方法。依据分数极路比绕组的实际展开结构,建立了大型分数极路比同步发电机的精确场路耦合模型。对一台实际模拟同步发电机进行了空载、三相突然短路和同相同分支匝间短路动模实验,验证了精确的场路耦合法数学模型的正确性。以某大型分数极路比同步发电机为例,分别利用本文提出的多回路模型和精确的场路耦合模型对该发电机各种典型内部故障进行仿真计算,将多回路模型计算结果和经实验验证的场路耦合模型结果对比,验证了本文提出的分数极路比同步发电机内部故障多回路模型的有效性。研究了多回路模型分析同相同分支匝间短路时,铁心局部饱和对故障电流的影响,给出了局部饱和系数在不同短路匝数时的一般范围。开发了水电站发电机内部短路分析计算及其主保护配置研究程序。统计了某大型分数极路比同步发电机所有可能发生的内部短路故障信息,建立了该发电机的精确的场路耦合模型,并对8856种短路故障进行了全面地仿真计算。研究了采用正常阻尼和简化阻尼两种结构及发生在槽内和端部两种不同的短路位置得到的仿真结果对分析零序电流型横差、裂相横差和不完全纵差保护灵敏动作率的影响,提出了改进的简化阻尼绕组结构,适当地提高了仿真精度。最后,为某电站大型分数极路比同步发电机推荐了主保护方案。对某电站分数极路比同步发电机内部故障后的阻尼绕组涡流损耗和定子铁心局部电磁力进行了全面地分析计算。针对易形成保护死区的小匝数同相同分支匝间短路故障,指出了故障后阻尼涡流损耗随时间的变化规律和空间分布规律,找到了涡流损耗的集中位置,给出了短路时d轴位置和短路匝数对阻尼绕组涡流损耗的影响。对比研究了同相异分支和相间短路后阻尼绕组涡流损耗的变化规律。找到了故障后定子齿顶和齿壁局部电磁力的集中位置,指出了局部电磁力随时间的变化规律和空间分布规律。研究内容为阻尼绕组和铁心结构的优化设计,以及同步发电机的故障诊断技术提供理论基础。


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