水轮发电机负载短路故障的有限元解析(现代电力).doc

文章编号： 文献标识码：A 中图分类号：TM312 水轮发电机负载短路故障的有限元解析 刘广1,2，姚缨英2 （1．国网淄博供电公司，山东 淄博 256200；2．浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州 310027） Analysis of the load short-circuit fault of hydro-generator based on finite-element method Liu Guang1,2, Yao Ying-ying2 (1.Zibo Power Supply Company，State Grid，Zibo 256200，China； 2.College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China) 摘　要：为准确模拟水轮发电机负载短路故障时的运行状态，本文建立了考虑端部效应的水轮发电机场、路、运动耦合的二维时步有限元模型；用直接耦合的方法对水轮发电机的额定运行工况及在额定运行基础上发生的突然单相接地短路、两相短路和三相短路故障进行了分析，得到了各种工况下转矩、定子电流、以及阻尼绕组损耗等变量随时间变化的曲线；用间接耦合的方法对水轮发电机的转子三维温度场进行了暂态分析，得到了各种工况下的阻尼绕组温度分布；本文所作研究对大型水轮发电机的设计和运行具有非常重要的指导意义。 关键词：水轮发电机；短路故障；有限元；场路耦合；暂态温度场 Abstract: To accurately simulate the process of the load short-circuit fault of hydro-generator, a time stepped FE model coupled with field, circuit and movement was established. A direct coupling method was adopted to analysis the rated operating condition and the sudden single-phase ground short-circuit fault, sudden two-phase short-circuit fault, sudden three-phase short-circuit fault based on the rated operating condition, the curve of the torque, the stator current and the damper winding loss over time ____________________________ (基金项目： 式中,为矢量磁位；为外部强加的源电流密度；为媒质的磁阻率；为媒质相对运动速度；为媒质电导率。 在二维情况下，电流只有轴方向分量，所以和都只有轴分量。并假设速度只有轴分量。 假设发电机外部没有漏磁，所以外边界AB满足磁通量平行边界条件，。 根据结构和磁路的对称性，一个磁极的边界OA和OB互为奇对称的周期性边界条件，。 由以上条件可得，二维非线性时变运动电磁场的边值条件为： 1.2 定子绕组耦合电路及方程 定子绕组通过场路耦合的方法与有限元模型连接，定子绕组的耦合电路见图2。 图2 定子绕组耦合电路 由定子绕组耦合电路可得定子回路的电压方程为： 式中，为定子绕组直线部分的感应电动势；为定子绕组相电压；为定子绕组相电流；、分别为定子绕组电阻和端部漏电感。 有限元区域的感应电动势是场路耦合中最为关键的一项，可由绕组区域内各单元的平均矢量磁位得到[15]： 式中，为定子每相绕组串联导体数；为定子铁心有效长度；为每相绕组电流分布区域；和分别为该相绕组电流流入和流出区域；为该相绕组区域的剖分单元数；为单元矢量磁位的平均值。 1.3 阻尼绕组耦合电路及方程 本文考虑发电机的端部效应，阻尼绕组考虑端部效应的耦合电路如图3所示。 图3 阻尼绕组的耦合电路 设第根阻尼条的电流为，其左右两侧的端环电流分别为、，它们满足以下方程： 第根和第根阻尼条之间满足电压方程： 式中，为阻尼条端环电阻；为阻尼条端环电感。 假设求解区域内有根阻尼条，可确定边界处电流和电压的约束条件为： 1.4 运动问题的处理 转子旋转问题的处理一直是求解电机磁场问题的难点。如果处理不当，将存在计算效率低、通用性不强和时间不长不确定等缺点[16]，其的处理方法有很多，如边界积分法、重新剖分法和运动边界法等。 本文采用滑动气隙边界法来处