楊峪峰

（國網(wǎng)四川瀘州市納溪供電有限責任公司,四川 瀘州 646300）

1 前言

水輪發(fā)電機是指以水輪機為原動機，將水能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電機，是水電站生產(chǎn)的主要動力設(shè)備。伴隨著經(jīng)濟全球化的發(fā)展，能源危機成為各國關(guān)注的重點問題，我國作為一個人口大國，能源形勢尤其嚴峻。對此，政府部門提出了可持續(xù)發(fā)展的理念，加大了對于綠色可再生能源的開發(fā)力度，水能也因此成為一種重要的能源形式，受到了社會各界的廣泛關(guān)注。需要注意的是，水輪發(fā)電機作為水電站生產(chǎn)的主要動力設(shè)備，其定子繞組一旦出現(xiàn)內(nèi)部故障，會造成巨大的破壞力，不僅會影響發(fā)電機的正常運行，甚至可能影響整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和發(fā)展。因此，在水輪發(fā)電機組，必須配置合理有效的主保護方案，及時對機組的內(nèi)部故障進行檢測和處理。一般來講，要求發(fā)電機主保護在故障后一個周波左右動作，而此時電機的正處于過渡過程中，因此，需要對定子繞組內(nèi)部故障暫態(tài)電流進行準確計算，以保證主保護的正常動作。

2 水輪發(fā)電機定子繞組內(nèi)部故障場路耦合模型

水輪發(fā)電機一般情況下結(jié)構(gòu)相對龐大，要想建立切合實際的三維電磁場有限元模型幾乎是不可能的，因此，在對其定子繞組內(nèi)部故障進行分析時，通常都會建立場路耦合模型，將求解區(qū)域分割為場、路兩個部分，在方便計算的同時，也可以使得計算結(jié)果更加準確真實。

2.1 電路方程

這里結(jié)合發(fā)電機慣例，假定定子各相繞組通過正向電流，產(chǎn)生負值磁鏈，勵磁繞組通過正向電流，產(chǎn)生正值磁鏈，則電機回路電壓方程為：

回路電流與線圈電流滿足下列關(guān)系

其中G代表所有線圈支路與回路的關(guān)聯(lián)矩陣。

回路磁鏈并不是單一存在的，而是由兩個部分組成，即

利用解析法和矢量磁位的軸向分量A2，可以求解出端部漏磁鏈和直線部分磁鏈的數(shù)值：

將（3）式與（1）式合并，可以得到

式中，Ld為常數(shù)矩陣，表示各回路的端部漏感矩陣。

2.2 場路耦合模型

對上述公式進行整理和總結(jié)，可以得到相應(yīng)的矩陣表達式

通過該矩陣表達式，就可以實現(xiàn)場和路的耦合分析。

3 水輪發(fā)電機定子繞組內(nèi)部故障暫態(tài)電流計算

以當前市場中較為常用的SF600-42/1308水輪發(fā)電機組為例，對其在內(nèi)部故障暫態(tài)電流計算方法進行分析。

3.1 發(fā)電機性能參數(shù)

額定功率PN：600MW；

額定電壓UN：20000V；

額定功率因數(shù)：0.925；

空載勵磁電流If0：1823A；

負載勵磁電流IfN：3531A；

定子槽數(shù)Z：504。

3.2 暫態(tài)仿真計算

結(jié)合上述場路耦合模型，對內(nèi)部故障暫態(tài)電流進行仿真計算。在發(fā)生內(nèi)部故障后，發(fā)電機中的磁場不能沿電機圓周進行周期分布，因此需要針對電機截面進行建模計算，但是這樣會造成模型節(jié)點的大量增加，為了縮短計算周期，保障計算結(jié)果的準確性，這里取計算步長為1ms。同時，為了對分析方法和計算結(jié)果進行驗證，針對發(fā)電機空載運行時突然單相、兩相以及三相短路后的A向電流的最值和穩(wěn)定值進行了計算，并將計算結(jié)果與經(jīng)典的解析公式法進行了對比，對比結(jié)果如下：

可以看出，采用場路耦合法進行水輪發(fā)電機定子繞組內(nèi)部故障暫態(tài)電流的計算具有良好的可行性和可靠性。

故障類型 最大值 穩(wěn)定值解析法/A相對誤差/%單相短路 105500 108236 2.59 60740 63420 4.41兩相短路 756500 78017 3.13 30660 31564 2.95三相短路 122400 119050 -2.73 37070 38010 2.53場路耦合法/A相對誤差/%解析法/A場路耦合法/A

3.3 故障規(guī)律分析

水輪發(fā)電機定子繞組的內(nèi)部故障可以分為匝間短路故障、同相支路間短路故障以及異相支路間短路故障。通過對比分析，可以發(fā)現(xiàn)，匝間短路故障在短路匝比在0-20%的范圍內(nèi)，并沒有明顯變化，流入到中性點的故障分支電流與正常分支電流沒有很大的區(qū)別，因此往往是保護的盲區(qū)。在這種情況下，短路環(huán)電流相對較大，很可能對電機造成嚴重的損壞，不過由于接觸點的壓差較小，因此發(fā)生的概率較低。同相支路間短路故障的故障分支電流同樣與正常分支電流相近，不過由于在這種情況下短路環(huán)電流極小，幾乎為0，因此不會對電機造成損害。異相支路間短路故障是當前電機內(nèi)部故障中最為常見的類型，故障電流相對較大，通過配置合理有效的保護方案，一般都能夠可靠動作。

4 結(jié)語

總而言之，在社會發(fā)展的帶動下，水利發(fā)電成為當前我國電力生產(chǎn)的重要組成部分，水輪發(fā)電機的運行質(zhì)量直接影響著電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全，應(yīng)該得到相關(guān)管理人員的充分重視，采取合理有效的保護措施，推動我國水利發(fā)電行業(yè)的穩(wěn)定健康發(fā)展。

[1]肖士勇.水輪發(fā)電機定子繞組內(nèi)部短路故障[D].哈爾濱理工大學(xué),2014.

[2]夏長亮,方紅偉,金雪峰,史婷娜.同步發(fā)電機定子繞組內(nèi)部故障數(shù)值分析[J].中國電機工程學(xué)報,2006,26(10):124-129.