發電機內部短路分析研究最新進展

1　歷史的簡要回顧
　　從五六十年代以來，發電機內部故障研究的重要性逐漸被人們所熟悉。學者們試圖用傳統的對稱分量法來計算電機定子繞組內部故障的問題。　　但是，電機定子繞組內部發生故障時，電機氣隙磁場中產生了很強的空間諧波，從而動搖了對稱分量法的應用基礎。這是因為，對稱分量法是建立在氣隙磁場空間基波為主和電壓、電流的時間基波為主的條件下，內部故障時這一條件不復存在。另一原因是，內部故障時不同相序分量的電壓、電流之間有了依存關系，使對稱分量法喪失了它的主要優點。
　　在這種情況下，把電機看作為由多個回路組成的電路，按照一般的電路法則(稱之為電機的多回路分析法)來分析電機的定子繞組的內部故障被提到研究日程上。但是電機電路與一般的靜止電路相比有很大的區別，電機的定子與轉子間有相對運動，使得電機電路的電感參數大多具有時變性；電機的磁路由鐵心和氣隙等組成，繞組大多是分布的，這使得它的氣隙磁場比較復雜，當電機正常運行和外部不對稱(包括外部故障)時，氣隙磁場以空間基波為主，但內部故障時的氣隙磁場諧波很強，這時電機各回路電感參數的計算必須考慮諧波的影響，此外電機的電感參數還受到鐵心飽和的影響。所以電機的多回路分析比一般的電路分析要復雜得多。
　　清華大學首先提出了交流電機的多回路分析方法，并將它成功地應用于凸極同步電機定子繞組內部故障的穩態分析中。此后，多回路法在異步電機轉子斷條故障、同步電機帶整流負載、非凡勵磁的同步發電機系統以及變頻驅動系統的分析中也得到廣泛的應用。國內其它一些院校，如華中理工大學、東南大學、海軍工程學院等也將多回路法用于研究工作中，并有所發展。
　　德國學者T.S.Kulig等人用類似多回路分析法的手段研究汽輪發電機內部和外部故障時的瞬態電流，并發表了一系列的文章。美國學者Toliyat和Lipo等人研究感應電機定子和轉子繞組的瞬態故障，并進行了實驗室試驗。加拿大學者也試圖將發電機內部故障分析包容進電磁瞬態程序(EMTP)。
2　汽輪發電機內部故障的研究
　　汽輪發電機氣隙均勻，假如不考慮定子和轉子的齒槽影響，汽輪發電機的氣隙磁導是常數，其氣隙磁場諧波相對于凸極同步電機來說較為簡單。但是汽輪發電機有其自身的特點，必須著重研究：首先，它的轉子勵磁繞組是分布繞組，其自感系數及與別的繞組間的互感系數均和凸極同步電機的勵磁繞組不同；另外，它的轉子本體往往是整體的實心鍛鋼，其渦流作用必須考慮；假如汽輪發電機的轉子上還裝有全阻尼或半阻尼繞組，則必須考慮阻尼繞組和實心轉子渦流的共同作用。
　　汽輪發電機定子繞組內部短路保護的必要性日益為人們所熟悉。裝設內部短路保護，定子繞組的中性點側至少需要引出4個頭，最好能有6個出線端。國外制造的汽輪發電機已有這種形式的出線。為了大型汽輪發電機組的安全可靠運行，繼電保護工作者和電機制造廠家需要共同努力，探討完善汽輪發電機定子繞組內部故障保護的途徑。
3　大型水輪發電機內部故障研究的發展
　　水輪發電機氣隙不均勻，其氣隙磁場比較復雜，非凡在定子繞組內部故障時，氣隙諧波磁勢作用在不均勻氣隙上，產生各種極對數和不同轉向的諧波磁場，所以水輪發電機各回路電感參數的計算也比較復雜。大型水輪發電機一般采用多支路繞組，在用多回路法分析其內部故障時，電機回路的個數也比較多。
　　一般地說，大型水輪發電機定子繞組內部穩態故障分析的問題已經解決。在國內，很多大型水電機組都進行過定子繞組內部故障的分析和保護的設計，如天生橋、白山、龍羊峽、寶珠寺、巖灘、大朝山、二灘等，最近正在分析三峽電機內部故障問題。
　　多支路水輪發電機定子繞組內部故障時，由于電機結構不同(主要是定子繞組結構的不同)，定子各支路電流及其它電量的大小和變化規律也各異。所以對每種形式的水輪發電機都必須作內部故障的分析計算，然后確定其內部故障的保護方案。從多種大型水輪發電機定子繞組內部故障的計算結果來看，單元件橫差、裂相橫差、不完全縱差以及完全縱差等幾種保護方案各有其特點。總的來講，單元件橫差保護配置簡單，靈敏度相對較高，值得推薦。但究竟怎樣形成單元件橫差，對于不同的電機有不同的排列。
4　大型發電機定子繞組內部故障瞬態研究
　　內部故障的破壞性很大，為了減輕它的損害，繼電保護的快速性是十分必要的。這就需要了解內部故障的瞬態情況。
　　眾所周知，對于電機的端頭故障，瞬態短路電流比穩態短路電流大得多。例如三相忽然短路時電機表現的電抗是超瞬變電抗，而三相穩態短路時電機表現的電抗則是同步電抗，兩者在數值上要差好幾倍，所以三相忽然短路電流比穩態短路電流也要大好幾倍。這主要是因為阻尼繞組對短路瞬態起作用而對穩態三相對稱短路沒有反應的緣故。
　　定子繞組內部故障時則有所不同。即使是穩態內部故障，由于氣隙磁場有各種轉速和不同轉向的分量，阻尼繞組仍然有感應電流產生。所以內部故障瞬態電流與穩態電流相比，不會出現電機端頭三相短路時那樣大的差值。
　　但是內部故障瞬態時各電量變化規律與穩態時相比，會有哪些不同，直接從概念上難以準確推斷，必須進行具體的分析計算。這項工作對快速繼電保護來說十分必要。
　　發電機定子繞組內部瞬態短路時，不僅定子各支路電流不相等，不同極的各阻尼回路電流也不相同。因此嚴格來講，這時電機的總回路數不僅包括定子的所有支路和轉子勵磁繞組，還包括轉子各極的所有阻尼回路。對于大型低速水輪發電機來說，其極對數多，阻尼回路數就更多了。這樣，它的瞬態數學模型將是數百個微分方程聯立，同時微分方程的系數又多是時變的。如此看來，探討數學模型的合理簡化問題成為一個必須解決的課題。

5　發電機定子繞組內部故障分析的簡化

　　當采用電路分析的方法研究電機內部故障(即采用多回路分析法)時，計算簡化問題的討論主要有兩個方面：數學模型問題和參數計算問題。
　　應用多回路法分析電機時，其參數計算主要是指各回路的電感參數，這些參數多半與電機的轉子位置有關，即它們多為時變參數。由于電機的磁路由空氣隙與鐵磁材料共同組成，上述參數還與電機的飽和程度有關。假如考慮汽輪發電機實心轉子的渦流作用，嚴格地講還有分布參數的問題。
　　研究參數有磁場和磁路兩種方法。用磁場計算的方法分析參數，對于飽和和渦流問題的處理很有效。但電機定子繞組內部故障時，電機內部電磁場的各種對稱性都被破壞了。假如不作簡化，磁場的計算極其復雜。在作了一定簡化后，用磁場的方法計算多回路參數，其結果的準確程度與磁路分析法不相上下。由于磁路法比較簡便，所以目前廣泛采用磁路分析法計算電感參數。
　　用磁路法計算參數，考慮計算的靈活性，往往從單個線圈出發進行分析。先將單個線圈通電流后的氣隙磁勢進行諧波分析，然后結合氣隙磁導(對于凸極機來說，氣隙磁導是一個級數表示式)，求出氣隙磁場，最后求得各電感參數。因此電感參數的表示式多為級數，有的甚至是雙重或三重級數式。
　　為了簡化電感參數的計算，有人提出將反映不均勻氣隙的級數式的磁導表示式中的諧波項忽略，只取其常數項，這在物理概念上相當于用均勻氣隙代替不均勻氣隙，筆者認為是不可取的。另有人提出，作參數計算時只考慮諧波磁勢產生的同次諧波磁場，這自然可簡化參數表示式，但肯定會帶來一定的誤差。
　　實際上，雖然多回路電感參數多為級數表示式，但對于現代計算機來說，編程計算的工作量并不算大。簡化電感參數的做法不十分必要。
　　用多回路法仿真研究電機內部故障，要對每個回路列寫方程，然后聯立求解，因此回路的數目(亦即方程的數目)對求解方程的難易影響甚大。這里的電機回路分定子回路和轉子回路兩部分，關于簡化的探討也分別進行。
　　電機的定子回路由各個支路組成。對于汽輪發電機和支路數較少的凸極機來說，本來定子回路數就不多，沒有必要考慮簡化的問題。對于大型水輪發電機，采用多支路的較為普遍，為了簡化計算，有的專家提出，將非故障相合并為一個支路，故障相的故障支路單獨處理，其非故障支路也合并為一個支路。大家知道，內部短路時短路回路電流主要是由于直流勵磁電流在其中產生的感應電勢引起的，但其它回路的電流，其中也包括定子正常相內的環流以及故障相的正常支路間的環流，對短路回路電流亦有影響。而且從繼電保護的觀點來看，人們關心的不僅僅是短路回路電流，有時更關心其它支路的電流。所以將正常支路組合后雖然回路數減少了，但卻帶來了短路回路電流計算誤差的增加，且其它支路電流更難以準確計算。因而這種簡化的有效性值得懷疑。
　　電機的轉子上有勵磁回路和阻尼回路。一般勵磁回路只有一個，簡化的對象主要是阻尼回路，阻尼電流通常在阻尼條和阻尼環組成的籠形電路中流通。無論是穩態還是暫態，阻尼電流所占的未知數都是最多的。因此阻尼回路的簡化是一個要害問題。
　　電機正常運行或外部故障時的氣隙磁場以空間基波為主。這時可將阻尼籠分解為等效縱軸和橫軸阻尼繞組，兩者相互獨立，沒有互電阻和互漏感，其間的互感亦為零。但內部故障時氣隙磁場諧波很強，必須采用籠形電路的原形。
　　提出一種大型水輪發電機定子繞組內部故障計算的簡化方法，就是將籠形電路中相鄰的幾根阻尼條并成一根，從而大大減少阻尼回路的個數。文中對阻尼回路的近似籠與原形籠進行了仿真結果的比較，并與實驗數據作了對比，證實了這種簡化的合理性。
　　電機內部故障時回路的簡化有時是必要的，但簡化時必須注重物理概念的合理性，并且應該得到實驗的支持。