发电机转子绕组匝间短路的故障分析_蒋云飞

ψQ = －
M S， ∑ Q · i S + ∑ M d， Q ·i d S =1 d =1
+ （ 1）
M fk ·i fk + M fkl ·i fkl
— —微分算子； 式中： p— uQ 、 iQ — — —该回路的电压、 ψQ 、 磁链和电流； m S， — —外电路的漏感和电阻在回路 T 和 r S， T— Q 中的作用； S、 d— — —定子和阻尼回路数； M S， —Baidu Nhomakorabea—定子回路互感及自感； Q— M d， — —定子回路和阻尼回路的互感； Q— M fk 、 M fkl — — —转子正常回路和故障附加回路 与定子回路 Q 的互感。 定子所有回路的电压和磁链方程的矩阵表示
* 基金项目： 广东省自然科学基金资助项目（ 31384 ）
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2011 ， 38 （ 11 ）

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1． 1
发电机转子绕组匝间短路故障的 数学模型
试验电机参数
由以上可列出定子任一回路 Q 的电压和磁 链方程为 u Q = p ψ Q － r Q · i Q － m S， T · p i Q － r S， T ·i Q
5 24
发电机额定容量为 10 kVA ， 额定功率 8 kW， n = 1 500 r / min ， 额定转速 转子极对数 p = 2 ， 定 子槽数为 36 ， 定子绕 组 为 三 相 单 层 交 叉 式 叠 绕 组， 每相绕组有两个并联支路， 转子槽数为分度槽 24 ， 利用槽 16 （ 每极大齿占 2 槽 ） ， 转子每极下有 2 个同心式线圈串联， 15% ， 35% ， 转子绕组 5% ， 60% 部位引出 4 个抽头， 可模拟转子绕组匝间短 定子绕组每个线圈 39 匝， 转子绕组每个 路故障， 线圈 95 匝， 每极阻尼条为 6 。 本文建立上述隐极 式同步发电机转子绕组匝间短路故障时的数学模 型。 1． 2 定子绕组模型 式为 由于转子绕组匝间短路故障会引起相绕组内 部的不平衡电流， 所以不能以相绕组为单元研究 定子绕组。 试验发电机每相 2 分支， 选取 5 个回 路电流作为定子电流的独立变量， 如图 1 所示。 定子回路正方向的选择为发电机惯例， 即正值的 ， 电流产生负值的磁链 正值的电流在负载方向产 生正值的电压降， 如图 2 所示。
Abstract： The interturn short circuit in rotor winding of generator will cause the field current to increase and reactive power output to decrease． It will also introduce the aggravation of vibration． Severe damage will be caused to the safe operation of the generator if such faults were not handled properly in a timely manner． In order to settle this question，fault analysis of interturn short circuit in rotor wingding must be solved． Based on the multiloop theory ，the all of the inductances were calculated too． The validity and effectivemath model of some generator was established， ness of this method were verified by comparing simulation and experiment results，which could calculate electrical quantities accurately such as currents． This method provids good basis for fault analysis of interturn short circuit in rotor wingding． Key words： generator； rotor winding； interturn short circuit； multiloop method； fault analysis
摘
*
要： 转子绕组匝间短路故障会造成发电机励磁电流增大 、 输出无功功率减小、 转子振动加剧等不良
如不及时处理会给机组的安全运行带来巨大威胁， 而解决这一问题必须先解决发电机转子绕组匝间短 影响， 路的故障分析。针对某型隐极式同步发电机， 应用交流电机的多回路理论， 建立了该型发电机转子绕组匝间 并计算了与模型有关的所有回路电感参数 。通过仿真和试验结果的对比验证了该方 短路故障时的数学模型， 法的有效性， 可准确计算故障时的电流等电气量， 为发电机转子绕组匝间短路时的故障分析奠定了基础 。 关键词： 发电机； 转子绕组； 匝间短路； 多回路方法； 故障分析
R ZF — — —励磁系统的电压和内电阻； 式中： E ZF 、 rf 、 r fk — — —分别是转子绕组正常回路 ψf 、 ψ fk 、 和故障附加回路的磁链和电阻； R fk — — —故障附加回路的过渡电阻 （ 一般可 忽略不计） ； if 、 i fk — — —回路电流。 磁链方程为
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发电机转子绕组匝间短路的故障分析
蒋云飞， 杨宣访， 张 超 （ 海军工程大学 电气与信息工程学院 ， 湖北 武汉 430033 ）
M f， M fk， — —分别是定子回路、 式中： M S， 转子 di 、 di 、 di — 绕组正常回路和故障附加回路与阻尼回路的互 感； M d， — —阻尼回路的互感及自感。 di — 1． 5 转子绕组匝间短路故障的状态方程 综合式（ 1 ） 式（ 6 ） ， 可得发电机所有回路的
（ 3）
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电压方程可表示为矩阵形式： [ E ] = p [ ψ ] + [ M ]·p [ I ] + （ [ R ] + [ R ] ） · [ I ] T T （ 7） [ R T ] 都是 31 阶常数方阵 （ 由外电网 式中： [ M T ] 、 的漏感和电阻组成） ； [ E ] 是 31 维列向量， 由外电 网电压和励磁电压组成， 是已知的； [ R ] 是 31 阶 回路电阻方阵。
ψf = －
M S， ∑ f · i S + ∑ M d， f ·i d S =1 d =1
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+
L f · i f + M f， fk · i fk ψ fk = －
∑ M S，fk ·i S +
S =1
M d， ∑ fk · i d d =1
+ （ 4）
M f， fk · i f + L fk · i fk
（ 2） 式（ 2 ） 中每个矩阵各元素的含义与式（ 1 ） 相同。 1． 3 转子绕组匝间短路故障时的模型 转子绕组匝间短路故障时， 转子绕组有两个 ， 独立回路 即正常回路和故障附加回路， 可选择回 路如图 3 所示。转子回路正方向的选择为电机惯 例， 即正值的电流产生正值的磁链， 向绕组方向看 时， 电压降的正方向与励磁绕组电流的正方向一 致， 如图 4 所示。
0
引
言
题的有效手段。 多回路分析法按照电机定、 转子 绕组的实际连接情况分析各回路的电压和磁链关 系， 可以对定转子绕组内、 外部的所有回路电流进 行计算、 分析， 并可以计及气隙磁场空间谐波、 定 、 转子绕组布局 连接方式与故障空间位置等因素 的影响。不仅能够分析定子绕组内部故障， 也可 用于发电机转子绕组匝间短路故障的分析与计 ［5 ］ 算 。 6］ 本文以文献［ 的交流电机多回路理论为基 础， 建立了试验发电机的多回路数学模型 ， 并详细 计算了所有回路参数， 以此进行转子绕组匝间短 路的故障分析。
所有回路的磁链方程可表示为 [ ψ ] = [ M ]· [ I ]
（ 8）
M d， — —转子绕组正常回路与定子回 式中： M S， f、 f— 路、 阻尼回路的互感； Lf 、 L fk 和 M f， — —转子绕组正常回路与故障 fk — 附加回路的自感和互感； M S， M d， — —故障附加回路与定子回路、 阻 fk 、 fk — 尼回路的互感。 1． 4 阻尼绕组模型 对于阻尼绕组回路的处理可以采用等效纵轴 和等效横轴阻尼绕组的处理方法， 或者采用阻尼 绕组的简化笼型模型
转子绕组匝间短路是发电机的一种常见电气 故障。轻微的匝间短路故障机组仍可继续运行， 一旦故障恶化， 会导致转子一点甚至两点接地等 恶性故障的发生， 使得被迫停机检修， 造成巨大经 济损失。如果在匝间短路故障发生初期能够及时 做出预报， 不仅可以避免恶性事故带来的经济损 失， 还有 利 于 机 组 安 排 检 修， 提高故障处理效 ［12 ］ 。因此发电机转子绕组匝间短路故障的早 率 期检测预报是十分必要的。 故障检测预报的基础和前提工作是做合理有 34］ 效的故障分析， 充分掌握故障特征， 由文献［ 可知多回路分析法是分析交流电机绕组不对称问
由以上可列出转子绕组匝间短路故障时转子 绕组回路的电压和磁链方程、 电压方程为
M f， d i · i f + M fk， d i · i fk
（ 6）
{
E ZF = pψ f + ( r f + R ZF )·i f + r fk ·i fk 0 = pψ fk + r fk ·i f + ( r f + R fk )·i fk
+ 中图分类号： TM 307 ． 1
文献标志码： A
6540 （ 2011 ） 11004506 文章编号： 1673-
Fault Analysis of InterTurn Short Circuit in Rotor Winding of Generator
JIANG Yunfei， YANG Xuanfang， ZHANG Chao （ College of Electrical and Information Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033 ，China）
]·p [ I ] － T S [ U ] = p [ Ψ ] － [ R S ]· [ I S ] － [ M S， [ R ]· [ I ] S， T S [ ] [ ] [ ]· [ I ] + = － · MS I S ] + [ M d， ψ S d [M ]· [ I ] + [ M ]· [ I ] fk， S fk fkl， S fkl
图1
定子绕组回路模型 图3 转子绕组匝间短路时回路模型
图2 — 46 —
定子回路正方向规定
图4
转子绕组匝间短路时正方向规定
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［7 ］
式中： [ M ] 的元素代表不同回路之间的互感， 由于 ， 定转子之间有相对运动 故定子回路与转子回路、 阻尼回路的互感是时变的， 即 [ M ] 是时变矩阵。 将式（ 8 ） 代入式（ 7 ） ， 可得以所有回路电流为 变量的状态方程： （ [ M ] + [ M T ] ） ·p [ I ] + （ p [ M ] + [ R ] + [ RT ] ） · [ I ] =