同步发电机短路电流的计算和仿真

本文还分析了各种相关因素如进风温度、径向通风沟风速、 绝缘材料属性、绝缘老化和线圈电流的集肤效应对定子温 度场的影响，给出了相应的温度场的分布规律。
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2 大型水轮发电机的结构、损耗
悬式结构主要用于中 高速机组； 伞式结构主要用于中 低速大容量机组 1 2 3 4 5 6 7 8 发电机推力轴承 发电机上导轴承 发电机上机架 发电机下机架 发电机转轴 水轮机转轴 水轮机导轴承 发电机下导轴承
大型水轮发电机的定子结构
15
大型水轮发电机 定子线圈截面图
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电机的损耗
铁心损耗 绕组损耗 机械损耗 铁心损耗
基本铁耗是指主磁场交变时所产生的铁心损耗， 分为磁滞损耗和涡流损耗。 附加铁耗是由于定转子开槽引起气隙磁导谐波磁 场在对方铁心中产生的损耗，在铁心表面产生的损耗 称为表面损耗，主要以涡流损耗为主。而在齿内部产 生的损耗称为脉振损耗。上述两种损耗统称为空载附 加损耗。电机带负载后，由于存在漏磁场和谐波磁场 而在铁心中产生的损耗称为负载附加铁耗。
大型水轮发电机的结构、损耗 18
冷却系统

空气冷却系统 双路径径轴向有（无）风扇系统 双路径径向无风扇系统 单路径轴向系统
氢冷却系统 水冷却系统 其他冷却系统

大型水轮发电机的结构、损耗 19
我 国 部 鲁布革（云 SF150.5分 18/6250 贵） 水 SF300天生桥一级 轮 44/12440 发 电 天生桥二级 SF220.530/9050 机 组 SF302.5岩滩 代 80/17000 表 SF200水口 产 56/11950 品 SF300技 隔河岩 44/12440 术 参 SF240五强溪 数 88/17290
电站名称
型号
容量 MVA 172 /198
转速 r/min 333.3
结构形式 台数 空冷悬式 4
投运年代 1989
333.4
245 /278 345.7 222.2/ 230 333.3 267 /280
136.4
200 145 107.1 136.4 68.2
空冷半伞
空冷半伞 空冷半伞 空冷半伞 空冷半伞 空冷半伞
同步发电机突然短路电流 计算和仿真
Calculation and Simulation of the Short Circuit Current of Synchronous Generator
樊
亚
东
1
目的
通过本次讲座，希望大家了解对问题分析的一个思路；
分析一个问题所需要的基本手段；
了解内容本身。
悬式结构
伞式结构
Di 0.02512 lt nr
大型水轮发电机的结构、损耗
悬式结构
定子铁心内径Di Di 0.025 定子铁心高度lt lt nr 额定转速nr
伞式结构
当Di / lt nr>0.025时采用伞式
悬式发电机的推力负荷是通过上机架、定子机座 传向基础；伞式发电机的推力负荷是通过下机架 传向基础或通过推力支架、水轮机的顶盖和座环 传向基础。
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研究的目的和意义

1
大型水电站的建设，推动了大型水轮发电机发热与 冷却技术的研究工作。目前，三峡电站的水轮发电 机单机容量己达700MW，是世界上单机容量最大的水 轮发电机之一，它的温度场的研究和分析是发电机 优化设计的重要一环。随着电机设计水平和制造工 艺的提高，大型水电站所采用水轮发电机容量有不 断提高的趋势。因此，有关水轮发电机温度场的计 算和分析作为水轮机组有待研究的几大系列问题之 一，显得越来越重要。
大型水轮发电机的结构、损耗 17

电机的损耗


绕组损耗 基本铜损耗和附加铜损耗构成 基本铜损耗是电流在绕组导线（包括定子绕 组和励磁绕组）内产生的电阻损耗，等于绕组电 流的平方与电阻的乘积。 附加铜损耗是由槽内漏磁场和谐波磁场在绕 组中产生的损耗 机械损耗 轴承磨擦损耗、电刷摩擦损耗、转子风摩擦 损耗以及通风损耗构成。
10
本研究所做的工作

3
本文根据大型水轮发电机结构特点（通风系统的对称性）， 通过对比和计算，把定子温度场的求解区域确定为半齿半 槽、轴向半个铁心的范围；

提出了一些基本假设及相应的边界条件，计算和确定了各 散热面的表面散热系数，计算了定子各个部分的等效导热 系数和损耗引起的发热率； 应用有限元法的通用软件——ANSYS，对大型水轮发电机定 子稳态和瞬态温度场进行了仿真计算和研究，绘制了相应 的二维和三维温度场图，得到了一些典型路径上的温度分 布曲线和一些典型点的温度变化；
4
6 4 7 4 5
1998
1992 /1998 1992 1993 1994 1994
20
我 国 部 分 水 轮 发 电 机 组 代 表 产 品 技 术 参 数
电站名称
二滩 龙羊峡 小浪底 万家寨 三峡 李家峡 葛洲坝 葛洲坝
型号
SF55042/12782
容量 MVA 612 /642
转速 r/min 142.9 125 107.1 100 75 125 62．5 62．5
4
研究的目的和意义

1
大型电机本身是一个由多种材料组合而成的组合 体，它的发热过程较复杂，因而它的温升过程也 较复杂，但在一定的容量下，各部分的温升是一 定的，温度分布也是一定的。 对电机的稳态温度场计算的目的就是核算电机中 各发热部件在稳定运行时的温升情况； 对电机的瞬态温度场计算的目的是为了核算电机 的瞬态最高温度是否超过材料所允许的限度。
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三峡水电站
三峡工程设计安装26台单机容量70万千瓦的发电机组，总装机容 量1820万千瓦。机组全部投产后每年可发电847亿千瓦时。
23wk.baidu.com
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3 同步电机的突然短路概念和特征

突然短路时，同步电机有以下主要特征：
1、突然短路时，短路电流的峰值可以达到额定电流 的十多倍甚至几十倍； 2、随着短路冲击电流的出现，电机绕组端部将受到 强大的冲击电磁力的作用；
3、突然短路过程中，在强大的短路转矩作用下，电 机可能发生振动，而其结构部件，特别是基础螺 杆中出现很大的冲击机械应力； 4、定、转子绕组出现过电压现象。
25
突然短路与稳定短路



稳定短路时，电枢电流是稳定的，电枢磁场是一个 以同步转速旋转的幅值恒定的磁场，不会在转子中 感应电动势和电流。 突然短路时，电枢电流的大小是变化的，其相应的 电枢磁场的幅值在时间上也是变化的，由于定子绕 组和转子绕组之间的“变压器”作用，转子绕组将 感应电动势和电流，而此电流反过来又会影响到定 子绕组中的电流变化。这种定、转子绕组之间的相 互影响，使突然短路后的过渡过程变的十分复杂。 稳态短路实际上是突然短路的过渡过程结束后的另 一个稳态。 而突然短路是由开路或负载运行状态到稳态短路运 行的过渡过程，在此过程中，同步电机的磁场不断 变化，使得同步电机的各部分电流在幅值上也不断 26 发生变化。
主要内容
作为水轮发电机突然短路温度场分析和仿真的一个子课 题，本次讲座涉及以下内容：
2
概述 大型水轮发电机的结构、损耗 突然短路概念和特征 突然短路电流分析方法和依据 空载时突然三相对称短路磁链分析 空载时突然三相对称短路电流分析 突然单相对称短路电流分析 突然两相对称短路电流分析
3
1

概
述
摘要：突然短路是同步电机的一种重要的瞬 变现象。本次讲座从分析同步电机突然短路 的工具----超导体回路磁链守恒原理全面分 析了开路时三相、两相和单相突然短路的同 步电机短路和负载突然短路时定子电流的变 化规律，并利用Matlab对短路电流和铜耗进 行了仿真。
结构形式 台数
空冷半伞 空冷半伞 空冷半伞 空冷半伞 水冷半伞 空冷半伞 空冷半伞 空冷半伞 6 4 6 6 14 5
投运年代
1999 1990 1999 1998 2003~ 2005 1997 1991 1991 21
SF320—48 355．6 ／12800 SF30056/13600 SF18060/12800 SF70080/17920 SF40048/12800 SFl70—96 ／15600 SFl25—96 ／15600 333.3/ 360 200/21 0.5 777.8/ 840 444 194 143
若t=0 时，突然移动 磁极，在线圈里有
d ia r 0 dt
0
超导回路的磁链守恒原理
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超导回路的磁链守恒原理

无论外磁场交链超导体闭合回路的磁链如何变 化，回路感应电流所产生的磁链总会抵制这种 变化，使回路中的总磁链保持不变。
实际线圈总是有电阻的，由于电阻上要消耗能量，促使线圈 的电流和磁链都要发生衰减。 如果是一个孤立的线圈的话，它的衰减时间常数T=L/r，磁链 和电流都会呈指数衰减； 如果这个线圈不是孤立的，周围还有其它线圈，那么，这个 线圈的磁链，除了自身的磁链以外，还包括了其它线圈对它的 互感磁链，这时，保持这个线圈磁链不变的电流，除了自身的 电流外，还要考虑其它线圈电流。同步电机的电枢、转子励磁 线圈和阻尼绕组正好就是这种情况。
9
国内外研究现状

2
数值计算方法
是求解温度场的常用方法，主要包括有限差分法和有 限元法等。

有限差分法不足之处是，由于采用的是直交网格，因此对 于边界形状复杂的区域和第二类边界条件及内部介质界面 的处理比较困难。

有限元法是当今科学技术发展和工程分析中获得最广泛应 用的数值计算方法，由于它的通用性和有效性，受到工程 技术界的高度重视，伴随着计算机科学和技术的快速发展， 现已成为计算机辅助工程和数值仿真的重要组成部分。
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大型水轮发电机的结构、损耗
1 2 3 4 5 6 7 8 半伞式结构
发电机推力轴承 发电机上导轴承 发电机上机架 发电机下机架 发电机转轴 水轮机转轴 水轮机导轴承 发电机下导轴承 伞式结构
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定子结构
定子部分由机座、铁心和绕组 等部件组成。 铁芯是发电机定子的一个重要 部件。它是磁路的主要组成部分， 并用于固定线圈，它由扇形冲片， 通风槽片，拉紧螺年杆，定位筋， 齿压片、拉紧螺杆及固定片等零部 件组成。扇形冲片用0.5或0.35毫 米厚的硅钢片冲制而成。 大中型水轮发电机的定子 绕组一般采用条式波绕组。
温升对电机的影响
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研究的目的和意义

1
我国水电资源的理论蕴藏量为 6.89亿千瓦，技术可 开发量为4.93亿千瓦，经济可开发量为3.95亿千瓦， 目前我国的水电总装机容量为0.75亿千瓦，已开发量 还不到经济可开发量的1/5，继三峡水利工程后，我 国在金沙江、澜沧江流域进行梯级电站的水电开发， 在2020年前，金沙江将开工12座电站，其中8座建成 发电。年总发电量超过2000亿度，等于两个多三峡的 发电量。澜沧江水电开发目标也初步确定，预计到 2020年，流域共规划建设15个电站，总装机容2200万 千瓦左右，年发电量约1200亿度。因此，水电工业的 发展将是一个长期开发的过程。
4 突然短路电流分析方法和依据

理论上分析突然短路电流---方法1 一般习惯从电机的基本电磁关系出发，建立其 状态方程，并通过各种坐标变换来研究电机的 瞬变过程，其计算精确性依赖于准确的电感系 数和互感系数，而在工程实际中，测量这些参 数比较困难。
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基于超导体回路磁链守恒原理分析--方法2
超导体回路磁链守恒原 则就是指和超导体闭合回路 交链的磁链永远保持不变。 同步发电机的绕组在突 然短路时都是闭合的。电枢 绕组经过短路点闭合，励磁 绕组经过直流励磁电源闭合， 而阻尼绕组本身就是闭合的。
分析短路电流的目的
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研究的目的和意义

1
由于局部部件发热，电机中常用的铜、铝、合金 铝、银铜和钎焊材料等金属材料的强度和硬度会 逐步下降，从而引起结构部件严重变形，导致机 组振动危及电机运行安全。

正确研究和计算电机各部件温升情况，不仅可以 优化电机设计，还为今后电机高效、安全运行奠 定了坚实的基础。
鲁布革水电站
鲁布革水电站位于南盘江支流黄泥河上，云贵界河上，为引水式水电站。主要任务为 发电。装机容量600MW，4台150MW，平均年发电量28.49亿kw· h。以220kV和110kV电压输 电线路接入云南省电力系统。工程于1982年开工，1985年底截流，1988年底第一台机发电， 1990年底建成。鲁布革水电站是我国第一个使用世界银行贷款、部分工程实行国际招标的 水电建设工程。被誉为我国水电建设对外开放的一个窗口。
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国内外研究现状
等效热路法 温度场法 等效热网络法 数值计算方法
2
有限差分法 有限元法
等效热路法
利用传热学和电路理论的相似性把温度场简化为带有 集中参数的热路来进行计算，把分布的真实热源和热阻用 集中的热源和热阻代替，形成等效热路 。
等效热网络法
是应用图论原理，通过网络的拓扑结构进行热分析的 一种方法。它实质是把热路法的参数和热源进行局部分布 参数化 。