水轮发电机定子绕组内部故障暂态电流的计算方法分析

杨峪峰

（国网四川泸州市纳溪供电有限责任公司,四川 泸州 646300）

1 前言

水轮发电机是指以水轮机为原动机，将水能转化为电能的发电机，是水电站生产的主要动力设备。伴随着经济全球化的发展，能源危机成为各国关注的重点问题，我国作为一个人口大国，能源形势尤其严峻。对此，政府部门提出了可持续发展的理念，加大了对于绿色可再生能源的开发力度，水能也因此成为一种重要的能源形式，受到了社会各界的广泛关注。需要注意的是，水轮发电机作为水电站生产的主要动力设备，其定子绕组一旦出现内部故障，会造成巨大的破坏力，不仅会影响发电机的正常运行，甚至可能影响整个电力系统的稳定和发展。因此，在水轮发电机组，必须配置合理有效的主保护方案，及时对机组的内部故障进行检测和处理。一般来讲，要求发电机主保护在故障后一个周波左右动作，而此时电机的正处于过渡过程中，因此，需要对定子绕组内部故障暂态电流进行准确计算，以保证主保护的正常动作。

2 水轮发电机定子绕组内部故障场路耦合模型

水轮发电机一般情况下结构相对庞大，要想建立切合实际的三维电磁场有限元模型几乎是不可能的，因此，在对其定子绕组内部故障进行分析时，通常都会建立场路耦合模型，将求解区域分割为场、路两个部分，在方便计算的同时，也可以使得计算结果更加准确真实。

2.1 电路方程

这里结合发电机惯例，假定定子各相绕组通过正向电流，产生负值磁链，励磁绕组通过正向电流，产生正值磁链，则电机回路电压方程为：

回路电流与线圈电流满足下列关系

其中G代表所有线圈支路与回路的关联矩阵。

回路磁链并不是单一存在的，而是由两个部分组成，即

利用解析法和矢量磁位的轴向分量A2，可以求解出端部漏磁链和直线部分磁链的数值：

将（3）式与（1）式合并，可以得到

式中，Ld为常数矩阵，表示各回路的端部漏感矩阵。

2.2 场路耦合模型

对上述公式进行整理和总结，可以得到相应的矩阵表达式

通过该矩阵表达式，就可以实现场和路的耦合分析。

3 水轮发电机定子绕组内部故障暂态电流计算

以当前市场中较为常用的SF600-42/1308水轮发电机组为例，对其在内部故障暂态电流计算方法进行分析。

3.1 发电机性能参数

额定功率PN：600MW；

额定电压UN：20000V；

额定功率因数：0.925；

空载励磁电流If0：1823A；

负载励磁电流IfN：3531A；

定子槽数Z：504。

3.2 暂态仿真计算

结合上述场路耦合模型，对内部故障暂态电流进行仿真计算。在发生内部故障后，发电机中的磁场不能沿电机圆周进行周期分布，因此需要针对电机截面进行建模计算，但是这样会造成模型节点的大量增加，为了缩短计算周期，保障计算结果的准确性，这里取计算步长为1ms。同时，为了对分析方法和计算结果进行验证，针对发电机空载运行时突然单相、两相以及三相短路后的A向电流的最值和稳定值进行了计算，并将计算结果与经典的解析公式法进行了对比，对比结果如下：

可以看出，采用场路耦合法进行水轮发电机定子绕组内部故障暂态电流的计算具有良好的可行性和可靠性。

故障类型 最大值 稳定值解析法/A相对误差/%单相短路 105500 108236 2.59 60740 63420 4.41两相短路 756500 78017 3.13 30660 31564 2.95三相短路 122400 119050 -2.73 37070 38010 2.53场路耦合法/A相对误差/%解析法/A场路耦合法/A

3.3 故障规律分析

水轮发电机定子绕组的内部故障可以分为匝间短路故障、同相支路间短路故障以及异相支路间短路故障。通过对比分析，可以发现，匝间短路故障在短路匝比在0-20%的范围内，并没有明显变化，流入到中性点的故障分支电流与正常分支电流没有很大的区别，因此往往是保护的盲区。在这种情况下，短路环电流相对较大，很可能对电机造成严重的损坏，不过由于接触点的压差较小，因此发生的概率较低。同相支路间短路故障的故障分支电流同样与正常分支电流相近，不过由于在这种情况下短路环电流极小，几乎为0，因此不会对电机造成损害。异相支路间短路故障是当前电机内部故障中最为常见的类型，故障电流相对较大，通过配置合理有效的保护方案，一般都能够可靠动作。

4 结语

总而言之，在社会发展的带动下，水利发电成为当前我国电力生产的重要组成部分，水轮发电机的运行质量直接影响着电力系统的稳定和安全，应该得到相关管理人员的充分重视，采取合理有效的保护措施，推动我国水利发电行业的稳定健康发展。

[1]肖士勇.水轮发电机定子绕组内部短路故障[D].哈尔滨理工大学,2014.

[2]夏长亮,方红伟,金雪峰,史婷娜.同步发电机定子绕组内部故障数值分析[J].中国电机工程学报,2006,26(10):124-129.