大型隐极同步发电机绕组匝间短路故障影响研究

摘要

大型发电机绕组匝间短路故障是发电机常见故障之一，通过研究发电机绕组匝间短路故障的影响，利用故障前后电气量的变化实现故障早期诊断，可有效防止事故扩大化，对发电机乃至电力系统的安全稳定运行具有重要意义。
　　为研究大型发电机绕组匝间短路时机网动态相互作用对发电机的影响，在考虑发电机实际结构、磁饱和、电网结构参数以及励磁控制系统等因素的基础上，建立了控-场-路-网数学模型及联合仿真模型。并以动模实验室一台30kVA发电机为例，进行了定子绕组匝间短路仿真及实验，验证了仿真模型的正确性。在此基础上，以核电半速汽轮发电机为研究对象，对定子绕组匝间短路故障进行了仿真，验证了仿真模型在大型发电机中的应用效果。通过与传统恒压励磁法的仿真结果对比，验证了本文所建模型能更准确地反映机网动态相互作用对发电机的影响。
　　为研究发电机并网运行下定子绕组匝间短路故障对发电机内部磁场、定子三相电流、谐波电磁转矩的影响，对核电半速汽轮发电机定子绕组匝间短路故障进行了仿真计算。分析了故障绕组与磁极相对位置变化对发电机内部磁场的影响。得到了定子绕组不同位置发生故障时，定子三相电流及电磁转矩的变化规律。同时分析了励磁控制系统在匝间短路过程中的作用，得到了励磁电压和励磁电流增量与故障位置和故障程度之间的关系。
　　为研究多极隐极发电机励磁绕组匝间短路对发电机励磁磁动势、机端感应电动势及定子绕组并联支路间环流的影响。推导了多极隐极发电机正常空载运行及励磁绕组匝间短路故障时，发电机励磁磁动势、定子一相一分支感应电动势及故障后定子绕组并联支路间环流表达式。分析了转子极对数p与故障后发电机励磁磁动势、机端感应电动势及定子并联支路间环流所含谐波次数之间的关系，得到了励磁绕组不同位置及不同程度故障时，定子绕组并联支路间谐波环流的变化规律。并以核电半速汽轮发电机为研究对象，利用有限元分析法对理论分析结果进行了验证。研究成果完善了多极隐极发电机励磁绕组匝间短路故障理论。
　　为研究核电半速汽轮发电机励磁绕组匝间短路故障对转子涡流损耗的影响，推导了故障后定子各相绕组内部分数次谐波环流产生的磁动势以及定子绕组内部分数次谐波环流产生的三相合成磁动势表达式，分析了合成磁场相对于转子的转速，揭示了转子表面产生涡流的原因及涡流频率特性。结合涡流损耗计算方法，计算了故障后转子阻尼条涡流。通过对涡流进行谐波分析，验证了理论推导的正确性。在此基础上，对不同故障工况下转子表面涡流及涡流损耗进行计算，得到了故障位置及故障程度对转子表面涡流及涡流损耗的影响。
　　论文研究内容为分析大型隐极发电机绕组匝间短路故障影响提供了理论参考，对保障大型发电机安全稳定运行具有重要意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 发电机绕组故障影响分析的意义

1．2 定子绕组匝间短路研究现状

1．3 励磁绕组匝间短路研究现状

1．4 发电机转子涡流损耗研究现状

1．5 论文主要研究内容

第2章 控-场-路-网模型的建模与仿真

2．1 引言

2．2．1 控-场-路-网系统等值电路

2．2．2 发电机数学模型

2．2．3 电网数学模型

2．2．4 同步发电机励磁系统数学模型

2．3 仿真及实验验证

2．4 本章小结

第3章 定子绕组匝间短路影响

3．1 引言

3．2 故障绕组对发电机内部磁场的影响

3．2．1 发电机正常运行时磁场分布

3．2．2 发电机故障运行时磁场分布

3．3 故障位置对发电机定子三相电流的影响

3．4 故障位置对电磁转矩的影响

3．5 励磁控制系统对定子绕组匝间短路影响

3．5．1 励磁控制系统对相同程度不同位置匝间短路影响

3．5．2 励磁控制系统对不同程度匝间短路影响

3．6 本章小结

第4章 多极隐极发电机励磁绕组匝间短路影响

4．1 引言

4．2 多极隐极发电机励磁绕组磁动势分布

4．2．1 多极隐极发电机正常运行时励磁磁动势分布

4．2．2 多极隐极发电机励磁绕组匝间短路时励磁磁动势分布

4．3 多极隐极发电机空载电动势

4．3．1 正常运行时空载电动势

4．3．2 励磁绕组匝间短路时空载电动势

4．4 励磁绕组匝间短路时定子相绕组分支环流

4．5 仿真计算及数据对比

4．5．1 励磁绕组同位置不同程度匝间短路故障仿真

4．5．2 励磁绕组同程度不同位置匝间短路故障仿真

4．6 本章小结

第5章 励磁绕组匝间短路时涡流损耗

5．1 引言

5．2 励磁绕组匝间短路时涡流分析

5．3 涡流损耗边界条件及数学模型

5．3．1 涡流损耗分析基本假设

5．3．2 涡流损耗计算方法

5．4 励磁绕组匝间短路时转子阻尼条及槽楔涡流损耗

5．4．1 励磁绕组不同位置匝间短路时转子涡流损耗

5．4．2 励磁绕组不同程度匝间短路时转子涡流损耗

5．5 本章小节

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及获得成果

攻读学位期间参与完成的科研项目

致谢