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      萨登对发电机定子绕组的短路故障的仿真分析

      更新时间:2020-01-16

      为水电站发电机配置主保护方案需要对发电机定子绕组的所有短路故障进行全面的仿真分析,利用仿真结果校验各种横差和纵差保护的灵敏动作率,为发电机主保护方案的配置提供科学依据,使设计者心中有数。采用多回路法分别对恶滩电站发电机、三峡左岸发电机和龙滩电站发电机内部短路进行了计算分析,对比了各保护方案的优劣,从而为发电机配置“优势互补,综合利用”的主保护方案。
             1随着计算机性能的不断提高,采用更加准确的场路祸合模型对发电机内部短路的全面分析成为可能。首次采用精准的场路祸合模型,对某电站分数极路比同步发电机定子绕组短路故障进行了全面地分析计算。研究了场路祸合模型采用正常阻尼绕组结构.提出的简化阻尼绕组结构对各保护方案灵敏度分析结果的影响,并通过适当调整阻尼条的等效节距,对简化阻尼绕组模型进行优化,减小了采用简化阻尼绕组模型计算得到的电流结果误差对各主保护方案灵敏动作率的影响。另外,还研究了故障位置对各保护方案灵敏度的影响,通过同种故障发生在槽内和端部两种情况的对比,说明了故障位置对仿真分析结果影响的重要性。后,为某电站300MW分数极路比同步发电机推荐了主保护配置方案,并简要给出了分数极路比绕组结构对各保护方案灵敏动作率的影响。


              2大型发电机内部短路主保护的基本原理
             为同步发电机配置主保护方案时,首先应对该电机定子绕组所有可能的短路点的故障信息进行详实准确地的统计;然后对发电机内部短路的所有故障点进行暂态分析计算,得到每种故障个周波各支路电流的基波有效值和相角;后计算每种保护方案的灵敏动作率,从而选取优的保护方案组合。
             以某电站分数极路比发电机为例,其故障点信息的简单统计。该同步发电机每相4个支路,一般来说,每相可采用2个支路组或3个支路组引出,两种支路组引出方式又都可分为相邻分支组合方案和相隔分支组合方案。各方案的支路分组形式和可用的保护方案。

      2.1小匝数同相同分支匝间故障
          由于被短线圈匝数很少(一般小于支路总匝数的5% ),故障后各支路绕组不对称度较小,造成各分支中性点侧和机端侧电流较小,从而成为各保护方案的共同保护死区。由于裂相横差保护是通过比较一相绕组两部分的不平衡度,所以,一般来说,裂相横差保护对小匝数同相同分支故障反应灵敏度比其他保护方案要高。需要注意的是,此时短路附加支路电流非常大,可能达到额定电流的10倍左右,因此会对发电机的安全运行带来严重威胁。

      2.2相近电位的同相异分支匝间故障
          若同相两个支路短路点电位接近,则被短的两个故障分支的电动势和电感参数接近,这就造成两个故障分支电流幅值相近,又因发电机空载运行,则两个故障电流的相位接近相反。两个故障分支对其他支路产生的互感磁链基本相互抵消,所以其他各分支电流变化不大。如果将两个故障分支分在一个支路组引出,则必将成为各保护方案的保护死区,若将两个故障分支分在不同的支路组中,则会在回路中引入很大的差动电流,零序电流型横差保护和裂相横差保护便能灵敏动作。

      2.3中生点侧小匝数相间短路故障
          由于两个故障分支的短路点均靠近中性点,则两故障分支的短路匝数既少又接近相同,导致短路后非故障分支中性点侧电流的大小变化不大,进入相应主保护方案的动作电流太小,零序电流型横差保护、裂相横差保护和不全纵差保护的灵敏度较小。而由于机端侧电流和中性点侧电流大小和相位相差很大,因此完全纵差保护对大多数中性点侧小匝数相间短路能灵敏动作。


      3水电站发电机内部短路分析计算及其主保护配置研究程序
          对于容量巨大的发电机,其内部短路故障数量一般要达到上万个,在进行主保护方案分析时,要对每种短路的故障位置及匝数等信息进行详实地统计,又要建立仿真模型准确地计算所有故障各分支暂态电流,之后还要分析各保护方案对每种故障反应的灵敏度,这些足以说明为发电机配置科学合理的主保护方案工作量之大和过程之复杂。针对这一问题,在某电机厂的立项资助下,课题组利用Visual Basic语言并整合ANSYS和matlab软件开发了“水电站发电机内部短路分析计算及其主保护配置研究程序”。该程序可完成短路故障统计、建模仿真计算和主保护方案灵敏度分析等多项任务,具体功能如下:
            (
      1.)文件存储和处理功能。程序整合了常见电站发电机的基本参数,分析时无需再进行大量的数据输入,对于新增分析机组,可采用自定义功能录入所需参数。程序还提供了“打开”、“保存”、“打印”和“参数纠错”等功能。
            (
      2.)故障信息分析统计功能。程序可分析出每种短路的故障类型、位置和匝数等信息,可筛选出易形成保护死区的短路故障,统计文件可打印输出,亦可作为故障电流批量计算的前导文件。
            (
      3.)故障电流的场路祸合法分析计算功能。程序可参数化建立仿真机组的场路祸合模型,根据故障统计文件进行短路故障的批量计算。
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      4.) 故障电流的多回路法分析计算功能。程序可建立仿真机组的多回路模型,根据故障统计文件进行短路故障的批量计算。
            (
      5.)保护方案的灵敏度计算功能。程序可根据场路祸合法或多回路法的计算结果分析零序电流型横差保护,裂相横差保护,完全纵差保护和不完全纵差保护各方案单独或组合作用的灵敏动作率情况,推荐合理的主保护方案。
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      6.)绘图功能。程序可显示电机的BH曲线、磁力线云图和故障电流实时波形曲线等。
             经仿真对比,阻尼绕组的简化笼型模型相对于正常阻尼绕组模型的误差一般在10%以内,满足工程要求且能节省仿真时间。但是,在配置主保护方案过程中,采用简化阻尼模型引起的仿真误差会导致保护方案对故障反应灵敏度大小的计算误差,这就可能致使原本为保护死区的故障误归为能灵敏动作的故障,从而影响设计者的判断,也可能终导致主保护方案配置的不合理,对水轮发电机的安全运行带来严重威肋。为此,采用场路祸合法,分别建立某电站分数极路比发电机的正常阻尼和简化笼型阻尼两种仿真模型,另外,还对简化阻尼模型的等效节距进行了适当的减小,即tZm=0.8tZi,建立了改进的简化阻尼结构的场路祸合仿真模型。基于建立的三种仿真模型,选取对保护方案灵敏度分析影响较大的易形成保护死区的短路故障,即612种相近电位的同相异分支故障和204种中性点侧与机端侧相间短路故障,进行了暂态仿真计算,并利用仿真结果分别计算了零序电流型横差保护、裂相横差保护和不完全纵差保护方案的灵敏动作率。


          若将简化阻尼模型的阻尼条等效节距改为0.8tZi,利用改进的简化阻尼绕组结构的场路祸合模型的仿真结果计算得到的各主保护方案的灵敏动作率和正常阻尼模型更加接近,说明可以通过适当减小阻尼条等效节距来对简化阻尼绕组笼型模型进行适当改进,以提高仿真精度。可以看到,采用两种简化阻尼绕组模型的仿真结果计算得到的各保护方案的灵敏动作率和正常阻尼模型相比基本都存在一定差距。因此,根据以上分析,建议在仿真易形成保护死区的短路故障时,采用正常阻尼绕组模型分析;在仿真其余灵敏度较大的短路故障时,采用简化的阻尼绕组模型分析。这样既节约了为同步发电机配置主保护方案的时间,又可避免因阻尼模型的简化导致对一些保护死区故障的误判断,从而保证了配置主保护方案的合理性和高效性。

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