同步发电机突然短路电流的计算和仿真

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。
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。
107.1 空冷半伞
6
SF180- 200/21 60/12800 0.5
100
空冷半伞 6
1999 1998
表 产
三峡
SF700- 777.8/ 80/17920 840
75
水冷半伞 14
2003~ 2005
品 技 李家峡 术
SF40048/12800
444
参 数
葛洲坝
SFl70—96 ／15600
大型水轮发电机的结构、损17耗
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。
分析短路电流的目的
5
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。
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
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。
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。
7
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18 耗
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19耗
我 电站名称
型号
国
部 鲁布革（云 SF150.5-
分 贵） 18/6250
水 轮 发
天生桥一级
SF30044/12440
超导回路的磁链守恒原理
28
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
大中型水轮发电机的定子 绕组一般采用条式波绕组。
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
16
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。
✓ 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。
11
2 大型水轮发电机的结构、损耗
悬式结构
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 发电机推力轴承 2 发电机上导轴承 3 发电机上机架 4 发电机下机架 5 发电机转轴 6 水轮机转轴 7 水轮机导轴承 8 发电机下导轴承
27
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。
若t=0 时，突然移动 磁极，在线圈里有
d
dt
iar
0
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，
0 而阻尼绕组本身就是闭合的。
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。
电 机
天生桥二级
SF220.530/9050
组 代
岩滩
SF302.580/17000
表 产 品
水口
SF20056/11950
技 术
隔河岩
SF30044/12440
参 数
五强溪
SF24088/17290
容量 转速 MVA r/min
结构形式 台数 投运年代
172 /198
333.3 空冷悬式 4
1989
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
发生变化。
26
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。
容量 转速 MVA r/min
结构形式 台数 投运年代
国
部 分
二滩
SF55042/12782
612 /642
142.9 空冷半伞 6
1999
水 轮
龙羊峡
SF320—48 ／12800
355．6
125
空冷半伞 4
1990
发 电 小浪底 机 组 万家寨 代
SF300- 333.3/ 56/13600 360
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。
194
125 空冷半伞 5 62．5 空冷半伞
1997 1991
葛洲坝
SFl25—96 ／15600
143
62．5 空冷半伞
199211
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。
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
伞式结构
Di 0.025
lt nr
12
大型水轮发电机的结构、损耗
悬式结构
伞式结构
Di 0.025 lt nr
定子铁心内径Di 定子铁心高度lt 额定转速nr
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。
22
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。
23
24
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
333.4 136.4 空冷半伞 4
1998
245 /278
200 空冷半伞 6
1992 /1998
345.7 145 空冷半伞 4
1992
222.2/ 230
1ห้องสมุดไป่ตู้7.1
空冷半伞
7
1993
333.3 136.4 空冷半伞 4
1994
267 /280
68.2 空冷半伞 5
1994
20
我 电站名称
型号
温升对电机的影响
6
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。
13
大型水轮发电机的结构、损耗
半伞式结构
1 发电机推力轴承 2 发电机上导轴承 3 发电机上机架 4 发电机下机架 5 发电机转轴 6 水轮机转轴 7 水轮机导轴承 8 发电机下导轴承
伞式结构
14
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。
8
国内外研究现状 2
等效热路法 温度场法 等效热网络法
数值计算方法 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 。
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；