大型水轮发电机机端短路故障研究

大型水轮发电机机端短路故障研究
【摘要】本文主要针对大型水轮发电机机端短路故障进行研究，分析其产生原因，类型以及发生故障时短路电流和电磁转矩的变化，根据分析计算结果指导水轮发电机的结构设计。

【关键词】大型水轮发电机；短路故障；结构设计
1、前言
大型水轮发电机的机端短路故障，是电力系统中的典型的故障类型之一。

其产生原因较多，缺乏规律性且偶然性大，影响范围广，对水轮发电机组及电网危害严重，因此在对电力系统的保护及电机设计中需要重点考虑。

2、机端短路故障的类型和成因
2.1 机端短路故障类型
水轮发电机的机端短路故障是指发生在发电机主引出线侧封闭母线外部的短路故障，与发电机本体结构无关。

由于在封闭母线位置同相的各支路引线已经合并，因此大型水轮发电机的机端短路故障不存在匝间短路，主要是相间短路。

相比于发电机内部短路故障，机端短路故障具有影响范围广、危害性强、偶然性大的特点。

发电机机端短路故障发生的位置可能出现在发电机的出线端，主变高压侧或是输电线路之间。

根据具体短路形式，分为三相短路，两相短路和单相对中性点短路，各自对应的简化等效电路如图1所示。

2.2 产生原因
机端短路故障多是由于电力系统中水轮发电机组以外的其他设备发生故障，或者安装运行维护不当以及人为因素的误操作等原因所造成的；除此之外，系统中的某些突发事故也会引发水轮发电机机端短路故障，例如电线杆倒塌，雷击，飞禽穿越相邻导体等事故情况都可能引发机端短路故障。

水轮发电机机端短路故障的产生原因较为复杂，缺乏规律性，并非单纯的绝缘问题所造成，对于突发事故造成的短路偶然性极大。

3、机端短路故障工况特性分析
根据理论分析和实际工程经验，水轮发电机机端短路工况是机组各类型非正常运行工况中最危险的工况。

由于突然短路瞬间，转子闭合回路出现感应电流，这时机端短路电流遇到的电抗为超瞬变电抗（有阻尼时），因此机端突然短路电流比稳态短路电流大得多，所产生的电磁转矩要远远大于内部短路时的数值，此工况对机组结构部件的机械性能要求也最高；如果机组结构部件刚强度能够满足此工况条件下的性能要求，则在其他工况下，结构也是安全的。

分析和计算大型水轮发电机机端短路工况下的动态特性时，可以使用场-路耦合时步有限元模型。

这种模型不但能够准确的考虑磁场饱和、畸变等复杂的非线性因素的影响，同时还可以考虑发电机动态过程中的涡流集肤效应。

相比于PARK方程法，场-路耦合时步有限元法能够详细考虑电机的具体结构和材料的非线性饱和特性对计算结果的影响，因此在研究大型水轮发电机机端短路特性的领域中，场-路耦合时步有限元法是目前最为先进的方法之一。

利用场-路耦合时步有限元法分析和计算水轮发电机机端短路工况下的短路电流和电磁转矩时，首先要根据发电机的实际结构形式建立定、转子局部的求解区域几何模型见图2
利用Ansoft软件建立模型后，在确定机组额定容量，电压，电流，各类直轴，交轴电抗以及励磁电流，励磁电压等参数情况下，就可以得到不同类型机端短路故障情况下的电磁转矩数值。

根据工程经验，机端短路故障工况下的瞬时短路电流可以达到额定工况下数值的十几倍甚至几十倍，而电磁转矩也可以达到额定工况下的数倍。

巨大的电磁冲击对于结构部件的要求是很高的。

由于结构设计的需要，必须对发电机主要结构部件在短路工况下结构部件的机械特性进行研究，从而更加清晰、准确的分析机端短路故障对水轮发电机结构部件刚强度产生的影响和可能造成的危害，通过对机械特性分析的结果，为机组选择合理的结构形式。

为了实现这个目标，在结构设计时引入了ANSYS有限元软件对大型水轮发电机主要结构部件进行建模分析。

使用ANSYS有限元软件对大型水轮发电机结构部件进行建模，结合对机端短路工况下电磁转矩和短路电流的分析结果，可以准确分析结构部件在各种机端短路故障工况下的应力、变形、温度、振动等方面的分布及变化情况。

模型建立的越精确，边界条件选取的越合理，所分析出的结果就越准确。

建立水轮发电机结构部件的三维模型，必须要严格按照机组的结构形式以及部件之间的位置关系进行；同时，要根据机组运行时的实际情况选择模型的约束与边界条件，只有这样模型才能真实地反映结构部件的应力、变形以及振动等情况。

对于大型水轮发电机而言，机端短路工况下的电磁转矩将作用于发电机的定子部分，此时定子部分的结构部件受短路故障冲击较大。

考虑到定子铁心是由无取向硅钢片叠压而成，片间压紧后可以达到2MPa的效果，因此其特性近似为金属实体，刚强度远远高于与其连接的定子机座，通过大量的工程实际经验与有限元分析结果证明，短路工况下的电磁冲击力不会对定子铁心造成损坏或较大变形，而其外侧定子机座在短路工况下的机械特性是设计人员在结构选型和产品设计时需要重点考虑和分析的，因为短路工况下的应力和变形值是否满足要求是决定定子机座结构形式的一条重要标准，水轮发电机定子机座的结构形式必须要满足短路工况下对其刚强度的要求。

通常情况下，短路工况下的应力及变形值都明显高于额定工况时的数值，有时甚至达到额定工况数值的几倍。

在结构设计时，必须要对机组在各类短路故障工况下的电磁和机械特性进行
分析，目的在于验证所选结构是否合理。

如果所选结构不能满足机端短路工况下的要求，必须对结构进行改进或优化，确保机组在短路故障工况下的安全与稳定。

4、总结
大型水轮发电机机端短路故障发生几率虽然不高，但鉴于其危害的严重性，在保护系统及发电机结构设计时必须给予足够的重视。

正确的认识机端短路故障，充分的了解其产生的危害与影响将有助于我们更好地进行大型水轮发电机的结构设计。