副励磁机接地短路故障仿真研究

杨 玲，云昌锋

（1.国电南瑞科技股份有限公司，江苏省南京市 211106；2.华能洋浦热电有限公司，海南省洋浦区 578101）

0 引言

三机无刷励磁系统由主发电机、主励磁机和副励磁机组成，该系统中三个电机同轴相连，其中主励磁机为主发电机提供励磁电源，而副励磁机作为主励磁机的励磁电源，当副励磁机为电励磁同步电机时，其励磁电流由外电源提供；当为永磁电机时，则为永磁体提供励磁[1]。

作为励磁系统的重要组成部分，副励磁机为交流无刷励磁机提供励磁电流，其性能及可靠性运行对整个机组的正常运行构成直接影响。

因此，副励磁机的故障监测对于整个电厂的重要性毋庸置疑，早期对于电机主要进行状态监测，通过监视和测量电机的运行状态信息和特征如电流、振动、温度等，以此来判断电机的状态是否正常，当特征参数小于允许值时便认为是正常，否则就异常。通常检测结果不需要进一步分析和处理，仅以有限的指标来确定电机的运行状态。目前对永磁机的匝间短路和相间短路已有一些研究，也有对副励磁机的特性进行研究[2-7]，但缺少接地短路对系统的影响情况的研究。

本文利用MATLAB/SIMULINK搭建接地短路模型，详细介绍接地短路故障的模型及仿真数据，利用接地短路时，机端将出现零序电压或者负序电压的原理[8]，准确识别接地短路故障发生位置。

1 副励磁机接地短路故障仿真模型

1.1 测量原理

三相电网发生短路时将产生三相不对称电压，而任何不对称的三相电压都可以根据对称分量法分解成正序、负序和零序三组分量[9]，其矢量表达式为：

（1）零序电压过滤器

零序电压过滤器由三个单相电压互感器接成开口三角形构成，如图1所示。模型中的具体的做法是互感器一次中心点通过电阻与电容并联后接地。

图1 零序电压过滤器原理图Figure 1 Schematic diagram of zero sequence voltage filter

（2）负序电压过滤器

负序电压过滤器的原理图如图2所示，采用阻容元件对电压矢量作移相处理，电阻电容的参数应满足：

图2 负序电压过滤器原理图Figure 2 Schematic diagram of negative sequence voltage filter

由于三相零序电压等值且同相位，当经过负序电压过滤器后，过滤器输出电压mn=0。

图2所示负序电压过滤器的输出电压为：

1.2 接地短路故障仿真模型

根据以上原理，搭建相应的测量模块。如图3所示，仿真模型由永磁机（电源）、零序电压测量Uk0、负序电压测量Umn、交流侧接地故障ABC-GND、转子接地故障P-M-GND、可控硅整流、负载等组成。

图3 接地短路故障仿真模型图Figure 3 Simulation model diagram of grounding short circuit fault

各模块的仿真参数如表1：要注意R1和R2阻值要适当，一般选择数百欧姆。取值太小，则计算出的C1和C2的容量较大，从而会增大负序电压过滤器的体积和功耗[10-11]。

表1 仿真参数Table 1 Simulation parameters

2 副励磁机故障监测系统接地短路故障仿真数据

副励磁机正常运行时，机端三相电压是三相对称的正序分量，没有负序分量和零序分量。仿真波形图中横坐标时间（单位为s），纵坐标分别为电压（单位V）及电流（单位A），如图4所示，从上到下分别为交流侧电压ab、A相电流I˙、零序电压k0和负序电压mn。正常运行时，交流侧电压峰值维持在442V左右，尖峰电压维持在582V左右，电流约为400A。零序电压约为0V，负序电压维持在1.25V左右。

图4 正常运行仿真数据Figure 4 Normal operation simulation data

2.1 交流侧接地故障

2.1.1 交流侧单相接地

仿真条件：以A相接地为例，见图6故障点①，接地时间：0.07s。

此时，交流侧线电压峰值由442V减小为330V左右，尖峰电压由582V减小为450V左右，A相电流略有减小，不考虑。零序电压由0V变为125V左右，负序电压由1.25V变为110V左右，见图5。

图5 交流A相接地短路故障仿真数据Figure 5 Simulation data of phase A grounding short circuit fault

2.1.2 交流侧两相接地

仿真条件：A相、B相两相接地，见图6故障点①、②：B相接地时间为0.06s，A相接地时间为0.07s。

图6 仿真结构图及故障点Figure 6 Simulation structure diagram and fault points

B相接地，交流侧线电压峰值由442V减小为330V左右，尖峰电压由582V减小为450V左右，零序电压由0V变为125V左右，负序电压由1.25V变为110V左右。0.01s后A相接地，交流侧线电压峰值由325V减小为218V左右，尖峰电压由450V减小为288V左右，零序电压维持125V左右，负序电压维持110V左右，见图7。

图7 交流B、A相接地短路故障仿真数据Figure 7 Simulation data of phase B and A grounding short circuit fault

2.2 直流侧正负接地故障

2.2.1 转子正接地

转子侧正接地时，见图6故障点③，零序电压从零变化为0.05V左右，同时A相电流正向最大峰值变为原电流峰值4.6倍左右，见图8。

图8 转子正接地短路故障仿真数据Figure 8 Simulation data of rotor positive grounding short circuit fault

2.2.2 转子负接地

转子侧负接地时，图6故障点④，零序电压从零变化为0.05V左右，同时A相电流负向最大峰值变为原电流峰值4.6倍左右，见图9。

图9 转子负接地短路故障仿真数据Figure 9 Simulation data of rotor negative ground short circuit fault

2.2.3 转子正先接地转子负后接地

仿真条件：转子正接地时间，见图6故障点③、④：0.06s，转子负接地时间：0.07s。

由图10仿真数据可知，只有转子正接地时零序电压从零变化为0.05V左右，同时A相电流正向最大峰值变为原电流峰值4.6倍左右，当转子负也接地，零序电压从0.05V左右变化为0.2V左右，同时A相电流正负向最大峰值均变为原电流峰值4.6倍左右。

图10 转子正负接地短路故障仿真数据Figure 10 Simulation data of rotor positive and negative grounding short circuit fault

2.3 交直流侧接地故障

仿真条件：转子正接地时间，图6故障点③：0.06s，交流A相接地时间，图6故障点①：0.07s。

由图11可知，转子正先接地，A相电流正向最大峰值变为原电流峰值4.6倍左右，然后交流A相接地短路故障，此时出现零序电压和负序电压。

图11 转子正、交流A相接地短路故障仿真数据Figure 11 Simulation data of rotor positive and phase A grounding short circuit fault

综上，在永磁机定子端部出线增加零序电压过滤器，通过零序电压的变化判别交流侧接地故障；通过副励磁机机端电压及机端电流变化可判别直流输出正负极接地故障。

3 结束语

本文通过搭建副励磁机、整流及负载模型及零序电压、负序电压测量模块，分析出系统发生接地短路时，机端将出现零序电压或者负序电压，利用零序电压过滤器及负序电压过滤器可以识别接地短路故障。零序电压增大时，电流如果基本不变化，则为本侧接地故障；电流如果变化比相差1.2倍以上，则为励磁侧接地故障，为副励磁机及其系统接地短路故障分析提供参考意见。