1歷史的簡(jiǎn)要回顧
從五六十年代以來(lái)，
發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障研究的重要性逐漸被人們所熟悉。學(xué)者們?cè)噲D用傳統(tǒng)的對(duì)稱分量法來(lái)計(jì)算電機(jī)定子繞組內(nèi)部故障的問(wèn)題。但是，電機(jī)定子繞組內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，電機(jī)氣隙磁場(chǎng)中產(chǎn)生了很強(qiáng)的空間諧波，從而動(dòng)搖了對(duì)稱分量法的應(yīng)用基礎(chǔ)。這是因?yàn)椋瑢?duì)稱分量法是建立在氣隙磁場(chǎng)空間基波為主和電壓、電流的時(shí)間基波為主的條件下，內(nèi)部故障時(shí)這一條件不復(fù)存在。另一原因是，內(nèi)部故障時(shí)不同相序分量的電壓、電流之間有了依存關(guān)系，使對(duì)稱分量法喪失了它的主要優(yōu)點(diǎn)。
在這種情況下，把電機(jī)看作為由多個(gè)回路組成的電路，按照一般的電路法則(稱之為電機(jī)的多回路分析法)來(lái)分析電機(jī)的定子繞組的內(nèi)部故障被提到研究日程上。但是電機(jī)電路與一般的靜止電路相比有很大的區(qū)別，電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得電機(jī)電路的電感參數(shù)大多具有時(shí)變性；電機(jī)的磁路由鐵心和氣隙等組成，繞組大多是分布的，這使得它的氣隙磁場(chǎng)比較復(fù)雜，當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行和外部不對(duì)稱(包括外部故障)時(shí)，氣隙磁場(chǎng)以空間基波為主，但內(nèi)部故障時(shí)的氣隙磁場(chǎng)諧波很強(qiáng)，這時(shí)電機(jī)各回路電感參數(shù)的計(jì)算必須考慮諧波的影響，此外電機(jī)的電感參數(shù)還受到鐵心飽和的影響。所以電機(jī)的多回路分析比一般的電路分析要復(fù)雜得多。
清華大學(xué)首先提出了交流電機(jī)的多回路分析方法，并將它成功地應(yīng)用于凸極同步電機(jī)定子繞組內(nèi)部故障的穩(wěn)態(tài)分析中。此后，多回路法在異步電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障、同步電機(jī)帶整流負(fù)載、非凡勵(lì)磁的同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)以及變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析中也得到廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)其它一些院校，如華中理工大學(xué)、東南大學(xué)、海軍工程學(xué)院等也將多回路法用于研究工作中，并有所發(fā)展。
德國(guó)學(xué)者T.S.Kulig等人用類似多回路分析法的手段研究汽輪發(fā)電機(jī)內(nèi)部和外部故障時(shí)的瞬態(tài)電流，并發(fā)表了一系列的文章。美國(guó)學(xué)者Toliyat和Lipo等人研究感應(yīng)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子繞組的瞬態(tài)故障，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。加拿大學(xué)者也試圖將發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障分析包容進(jìn)電磁瞬態(tài)程序(EMTP)。
2汽輪發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障的研究
汽輪發(fā)電機(jī)氣隙均勻，假如不考慮定子和轉(zhuǎn)子的齒槽影響，汽輪發(fā)電機(jī)的氣隙磁導(dǎo)是常數(shù)，其氣隙磁場(chǎng)諧波相對(duì)于凸極同步電機(jī)來(lái)說(shuō)較為簡(jiǎn)單。但是汽輪發(fā)電機(jī)有其自身的特點(diǎn)，必須著重研究：首先，它的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組是分布繞組，其自感系數(shù)及與別的繞組間的互感系數(shù)均和凸極同步電機(jī)的勵(lì)磁繞組不同；另外，它的轉(zhuǎn)子本體往往是整體的實(shí)心鍛鋼，其渦流作用必須考慮；假如汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上還裝有全阻尼或半阻尼繞組，則必須考慮阻尼繞組和實(shí)心轉(zhuǎn)子渦流的共同作用。
汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部短路保護(hù)的必要性日益為人們所熟悉。裝設(shè)內(nèi)部短路保護(hù)，定子繞組的中性點(diǎn)側(cè)至少需要引出4個(gè)頭，最好能有6個(gè)出線端。國(guó)外制造的汽輪發(fā)電機(jī)已有這種形式的出線。為了大型汽輪
發(fā)電機(jī)組的安全可靠運(yùn)行，繼電保護(hù)工作者和電機(jī)制造廠家需要共同努力，探討完善汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部故障保護(hù)的途徑。
3大型水輪發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障研究的發(fā)展
水輪發(fā)電機(jī)氣隙不均勻，其氣隙磁場(chǎng)比較復(fù)雜，非凡在定子繞組內(nèi)部故障時(shí)，氣隙諧波磁勢(shì)作用在不均勻氣隙上，產(chǎn)生各種極對(duì)數(shù)和不同轉(zhuǎn)向的諧波磁場(chǎng)，所以水輪發(fā)電機(jī)各回路電感參數(shù)的計(jì)算也比較復(fù)雜。大型水輪發(fā)電機(jī)一般采用多支路繞組，在用多回路法分析其內(nèi)部故障時(shí)，電機(jī)回路的個(gè)數(shù)也比較多。
一般地說(shuō)，大型水輪發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部穩(wěn)態(tài)故障分析的問(wèn)題已經(jīng)解決。在國(guó)內(nèi)，很多大型水電機(jī)組都進(jìn)行過(guò)定子繞組內(nèi)部故障的分析和保護(hù)的設(shè)計(jì)，如天生橋、白山、龍羊峽、寶珠寺、巖灘、大朝山、二灘等，最近正在分析三峽電機(jī)內(nèi)部故障問(wèn)題。
多支路水輪發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部故障時(shí)，由于電機(jī)結(jié)構(gòu)不同(主要是定子繞組結(jié)構(gòu)的不同)，定子各支路電流及其它電量的大小和變化規(guī)律也各異。所以對(duì)每種形式的水輪發(fā)電機(jī)都必須作內(nèi)部故障的分析計(jì)算，然后確定其內(nèi)部故障的保護(hù)方案。從多種大型水輪發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部故障的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，單元件橫差、裂相橫差、不完全縱差以及完全縱差等幾種保護(hù)方案各有其特點(diǎn)?？偟膩?lái)講，單元件橫差保護(hù)配置簡(jiǎn)單，靈敏度相對(duì)較高，值得推薦。但究竟怎樣形成單元件橫差，對(duì)于不同的電機(jī)有不同的排列。
4大型發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部故障瞬態(tài)研究
內(nèi)部故障的破壞性很大，為了減輕它的損害，繼電保護(hù)的快速性是十分必要的。這就需要了解內(nèi)部故障的瞬態(tài)情況。
眾所周知，對(duì)于電機(jī)的端頭故障，瞬態(tài)短路電流比穩(wěn)態(tài)短路電流大得多。例如三相忽然短路時(shí)電機(jī)表現(xiàn)的電抗是超瞬變電抗，而三相穩(wěn)態(tài)短路時(shí)電機(jī)表現(xiàn)的電抗則是同步電抗，兩者在數(shù)值上要差好幾倍，所以三相忽然短路電流比穩(wěn)態(tài)短路電流也要大好幾倍。這主要是因?yàn)樽枘崂@組對(duì)短路瞬態(tài)起作用而對(duì)穩(wěn)態(tài)三相對(duì)稱短路沒(méi)有反應(yīng)的緣故。
定子繞組內(nèi)部故障時(shí)則有所不同。即使是穩(wěn)態(tài)內(nèi)部故障，由于氣隙磁場(chǎng)有各種轉(zhuǎn)速和不同轉(zhuǎn)向的分量，阻尼繞組仍然有感應(yīng)電流產(chǎn)生。所以內(nèi)部故障瞬態(tài)電流與穩(wěn)態(tài)電流相比，不會(huì)出現(xiàn)電機(jī)端頭三相短路時(shí)那樣大的差值。
但是內(nèi)部故障瞬態(tài)時(shí)各電量變化規(guī)律與穩(wěn)態(tài)時(shí)相比，會(huì)有哪些不同，直接從概念上難以準(zhǔn)確推斷，必須進(jìn)行具體的分析計(jì)算。這項(xiàng)工作對(duì)快速繼電保護(hù)來(lái)說(shuō)十分必要。
發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部瞬態(tài)短路時(shí)，不僅定子各支路電流不相等，不同極的各阻尼回路電流也不相同。因此嚴(yán)格來(lái)講，這時(shí)電機(jī)的總回路數(shù)不僅包括定子的所有支路和轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組，還包括轉(zhuǎn)子各極的所有阻尼回路。對(duì)于大型低速水輪發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，其極對(duì)數(shù)多，阻尼回路數(shù)就更多了。這樣，它的瞬態(tài)數(shù)學(xué)模型將是數(shù)百個(gè)微分方程聯(lián)立，同時(shí)微分方程的系數(shù)又多是時(shí)變的。如此看來(lái)，探討數(shù)學(xué)模型的合理簡(jiǎn)化問(wèn)題成為一個(gè)必須解決的課題。
5發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部故障分析的簡(jiǎn)化
當(dāng)采用電路分析的方法研究電機(jī)內(nèi)部故障(即采用多回路分析法)時(shí)，計(jì)算簡(jiǎn)化問(wèn)題的討論主要有兩個(gè)方面：數(shù)學(xué)模型問(wèn)題和參數(shù)計(jì)算問(wèn)題。
應(yīng)用多回路法分析電機(jī)時(shí)，其參數(shù)計(jì)算主要是指各回路的電感參數(shù)，這些參數(shù)多半與電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置有關(guān)，即它們多為時(shí)變參數(shù)。由于電機(jī)的磁路由空氣隙與鐵磁材料共同組成，上述參數(shù)還與電機(jī)的飽和程度有關(guān)。假如考慮汽輪發(fā)電機(jī)實(shí)心轉(zhuǎn)子的渦流作用，嚴(yán)格地講還有分布參數(shù)的問(wèn)題。
研究參數(shù)有磁場(chǎng)和磁路兩種方法。用磁場(chǎng)計(jì)算的方法分析參數(shù)，對(duì)于飽和和渦流問(wèn)題的處理很有效。但電機(jī)定子繞組內(nèi)部故障時(shí)，電機(jī)內(nèi)部電磁場(chǎng)的各種對(duì)稱性都被破壞了。假如不作簡(jiǎn)化，磁場(chǎng)的計(jì)算極其復(fù)雜。在作了一定簡(jiǎn)化后，用磁場(chǎng)的方法計(jì)算多回路參數(shù)，其結(jié)果的準(zhǔn)確程度與磁路分析法不相上下。
由于磁路法比較簡(jiǎn)便，所以目前廣泛采用磁路分析法計(jì)算電感參數(shù)。
用磁路法計(jì)算參數(shù)，考慮計(jì)算的靈活性，往往從單個(gè)線圈出發(fā)進(jìn)行分析。先將單個(gè)線圈通電流后的氣隙磁勢(shì)進(jìn)行諧波分析，然后結(jié)合氣隙磁導(dǎo)(對(duì)于凸極機(jī)來(lái)說(shuō)，氣隙磁導(dǎo)是一個(gè)級(jí)數(shù)表示式)，求出氣隙磁場(chǎng)，最后求得各電感參數(shù)。因此電感參數(shù)的表示式多為級(jí)數(shù)，有的甚至是雙重或三重級(jí)數(shù)式。
為了簡(jiǎn)化電感參數(shù)的計(jì)算，有人提出將反映不均勻氣隙的級(jí)數(shù)式的磁導(dǎo)表示式中的諧波項(xiàng)忽略，只取其常數(shù)項(xiàng)，這在物理概念上相當(dāng)于用均勻氣隙代替不均勻氣隙，筆者認(rèn)為是不可取的。另有人提出，作參數(shù)計(jì)算時(shí)只考慮諧波磁勢(shì)產(chǎn)生的同次諧波磁場(chǎng)，這自然可簡(jiǎn)化參數(shù)表示式，但肯定會(huì)帶來(lái)一定的誤差。
實(shí)際上，雖然多回路電感參數(shù)多為級(jí)數(shù)表示式，但對(duì)于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，編程計(jì)算的工作量并不算大。簡(jiǎn)化電感參數(shù)的做法不十分必要。
用多回路法仿真研究電機(jī)內(nèi)部故障，要對(duì)每個(gè)回路列寫方程，然后聯(lián)立求解，因此回路的數(shù)目(亦即方程的數(shù)目)對(duì)求解方程的難易影響甚大。這里的電機(jī)回路分定子回路和轉(zhuǎn)子回路兩部分，關(guān)于簡(jiǎn)化的探討也分別進(jìn)行。
電機(jī)的定子回路由各個(gè)支路組成。對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)和支路數(shù)較少的凸極機(jī)來(lái)說(shuō)，本來(lái)定子回路數(shù)就不多，沒(méi)有必要考慮簡(jiǎn)化的問(wèn)題。對(duì)于大型水輪發(fā)電機(jī)，采用多支路的較為普遍，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，有的專家提出，將非故障相合并為一個(gè)支路，故障相的故障支路單獨(dú)處理，其非故障支路也合并為一個(gè)支路。大家知道，內(nèi)部短路時(shí)短路回路電流主要是由于直流勵(lì)磁電流在其中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)引起的，但其它回路的電流，其中也包括定子正常相內(nèi)的環(huán)流以及故障相的正常支路間的環(huán)流，對(duì)短路回路電流亦有影響。而且從繼電保護(hù)的觀點(diǎn)來(lái)看，人們關(guān)心的不僅僅是短路回路電流，有時(shí)更關(guān)心其它支路的電流。所以將正常支路組合后雖然回路數(shù)減少了，但卻帶來(lái)了短路回路電流計(jì)算誤差的增加，且其它支路電流更難以準(zhǔn)確計(jì)算。因而這種簡(jiǎn)化的有效性值得懷疑。
電機(jī)的轉(zhuǎn)子上有勵(lì)磁回路和阻尼回路。一般勵(lì)磁回路只有一個(gè)，簡(jiǎn)化的對(duì)象主要是阻尼回路，阻尼電流通常在阻尼條和阻尼環(huán)組成的籠形電路中流通。無(wú)論是穩(wěn)態(tài)還是暫態(tài)，阻尼電流所占的未知數(shù)都是最多的。因此阻尼回路的簡(jiǎn)化是一個(gè)要害問(wèn)題。
電機(jī)正常運(yùn)行或外部故障時(shí)的氣隙磁場(chǎng)以空間基波為主。這時(shí)可將阻尼籠分解為等效縱軸和橫軸阻尼繞組，兩者相互獨(dú)立，沒(méi)有互電阻和互漏感，其間的互感亦為零。但內(nèi)部故障時(shí)氣隙磁場(chǎng)諧波很強(qiáng)，必須采用籠形電路的原形。
提出一種大型水輪發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部故障計(jì)算的簡(jiǎn)化方法，就是將籠形電路中相鄰的幾根阻尼條并成一根，從而大大減少阻尼回路的個(gè)數(shù)。文中對(duì)阻尼回路的近似籠與原形籠進(jìn)行了仿真結(jié)果的比較，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作了對(duì)比，證實(shí)了這種簡(jiǎn)化的合理性。
電機(jī)內(nèi)部故障時(shí)回路的簡(jiǎn)化有時(shí)是必要的，但簡(jiǎn)化時(shí)必須注重物理概念的合理性，并且應(yīng)該得到實(shí)驗(yàn)的支持。
