发表时间：2019-11-29T16:37:48.960Z 来源：《中国电业》2019年第12期下作者：赵志勇
[导读] 水轮发电机定子绕组内部故障破坏力极强，会对发电机本身甚至电力系统的稳定运行造成严重影响。
摘要：水轮发电机定子绕组内部故障破坏力极强，会对发电机本身甚至电力系统的稳定运行造成严重影响。因此水轮发电机组必须配置有效的主保护方案，以便及时检测出机组的内部故障。通常要求发电机的主保护在故障后1个周波左右动作，此时电机的过渡过程还没有结束。因此需要准确的计算水轮发电机定子绕组内部故障暂态过程。 关键词：大型水轮发电机定子绕组；组合换位方法；
大型水轮发电机的定子线棒由许多股线排列而成，并在鼻端由并头套连接。由于发电机定子股线在磁场中所处位置不同，股线间会形成电势差从而导致环流。由此产生的环流会导致线棒的平均温度升高，降低发电机效率。所以，为了减小环流损耗，改善温度分布不均匀问题必须采用定子线棒股线换位技术。
一、水轮发电机定子绕组有效性
对于大型发电机定子绕组环流损耗计算，国内外学者做了大量研究。目前对发电机定子线棒环流损耗的计算主要有解析法及解析数值结合法。解析法是通过解析公式计算每根股线漏感电势进一步求取环流损耗，而解析数值结合法则通过数值法求得槽部及端部漏磁场，再由通过每根股线电流构成的电路方程求得环流损耗。采用解析法对一台汽轮发电机定子线棒槽部股线设置一处及三处空换位段情况进行了理论分析，推导出了相应的解析表达式；采用解析法对机组定子线棒不完全换位进行了分析计算，并将计算结果与西安交通大学等计算结果进行了对比，证明了其准确性。同样应用解析法分别对汽轮发电机及水轮发电机定子线棒环流损耗进行了分析计算。解析法虽然计算方便且易于实现程序化，但其对电机的端部和槽部的漏磁分量有过多的忽略和假设，计算的局限性很大。应用解析数值结合法对大型发电机定子线棒环流损耗进行了分析计算，其线棒端部均采用准三维模拟。该方法部分提高了漏磁场的计算精度，但对线棒的股线换位及排列方式缺乏准确描述。所以要准确计算环流损耗应从场的观点采用数值分析方法。全换位方式的环流损耗进行了计算，并对线棒槽部及端部漏磁场做了详细分析。由于水轮发电机定子线棒有限元计算模型需考虑股线的换位弯及端部结构，使得求解域边界及内部分界面形状比较复杂，这种情况下有限元法可以较好的逼近边界，且对于某些部分磁场强度变化较大的场合，有限元法剖分灵活性大，适应性很强，求解精度高。并通过试验验证了对于计算水轮发电机定子线棒环流损耗的准确性。根据计算结果发现了传统空换位方式存在的不足，针对该不足提出了一种新型组合换位方式，并验证了其对于降低水轮发电机定子线棒环流损耗的有效性。
二、大型水轮发电机定子绕组新型组合换位方法
1.从电机设计的角度简析集中布置绕组发电机抑制转子偏心振动的能力。由于现场安装水平有限，在吊装大型水轮发电机转子时，往往都会发生一定程度的偏心现象；而采用不同的发电机定子绕组形式及连接方式时，转子偏心对同相各支路平衡性的影响又是不一样的。若定子绕组布置的叠绕组，则影响最大；若为每分支沿定子内圆分布布置的全波绕组，则气隙偏移对各支路没影响为集中布置的半波绕组各支路的影响，则介于叠绕组和全波绕组之间。电机设计理论仿真结果也都验证了上述观点。水轮发电机定子绕组分布集中布置的两种绕组形式恰恰是利用转子偏心产生的分支环流来抵消气隙不均匀引起的磁拉力，又将发生偏心的转子“推回”中心位置，这也是近年来某些低转速的大型水轮发电机仍然采用或改用集中布置绕组的主要原因。假定转子逆时针旋转且转子中心由偏移。当转子逆时针转过900电角度至磁极所示位置时，定子绕组中的电流才达到最大，此时定子电流产生的磁链方向与转子磁链方向相反，综上所述，对于低转速的大型水轮发电机，若采用叠绕组，则其线圈连接方式决定同相同分支匝间短路必然存在，并且转速越低，对应的发电机极对数和定子槽数必将增加，小短路匝比问题愈发突出(因为每分支线圈数逐渐增多)，仅仅依靠主保护的定量计难以取得令人满意的保护性能，因为常用主保护方案均不反应小匝数匝问短路。行之有效的解决措施是通过与电机厂的合作，有针对性地选择发电机的定子绕组形式，同时满足电机设计和继电保护的需求。对于低转速的大型水轮发电机应优先选择“半波绕组”，在满足电机设计经济性要求和抑制转子偏心振动的同时，于绕组设计阶段就力求减少继电保护的动作死区，这是因为就“半波绕组”而言，其小匝数同相同分支匝问短路仅存在于绕向相反的线圈之间，数量有限，且通过调整“半波绕组”
2.定子线棒问短路情况分析。通过对定子线棒的现场安装情况分析可以发现，定子线棒的短路位置主要集中在发电机定子槽内上下层线棒间发生短路或定子线圈端部引线交叉点上。应用电磁场有限元和多回路分析法相结合的场路耦合法分析大型水轮发电机内部故障的暂态过程成为可能。场路耦合法以矢量磁位和回路电流为求解变量。兼顾了多回路法和电磁场有限元法的共有优点，且省去了回路互感参数复杂的求解过程，是分析发电机内部故障较准确和方便的方法。而在其他空问位置相隔甚远的绕组之间发生内部短路可以看作是较难发生的特定事件。由于两个异相绕组接触位置的电压差通常较大，且相问短路故障是电机内部故障中数目最多的故障，这样造成相问短路故障发生的几率较高。相问短路的故障电流一般都较大。因此可以得出，相问短路故障是发电机最常见最严重的内部故障。但是，由于相问短路的故障分支电流畸变较大，通过配置合理的保护方案一般都能可靠动作。
3.合理选择发电机定子绕组形式，兼顾电机设计和继电保护的要求。在不显著降低主保护配置方案性能的前提下，发电机中性点引出方式及分支分组必须考虑电机设计和制造是否方便，是否有利于减少保护方案的构成和所需的硬件投资。但是对于低转速的梨园发电机而言，由于其保护死区过大，不得不在天阿电机设计人员的配合之下(调整了发电机每分支机端和中性点的出线位置)，改变了发电机中性点侧引出方式和分支并在每相上装设以增设主保护方案来进一步减小保护死区，主保护配置方案的保护死区减小相比于原主保护配置方案，保护死区虽有所减小但收效不大，且增加了发电机中性点侧铜环布置和安装的难度，增加的主保护方案必将加重保护装置的负担，可能引发工作的不稳定负荷率太
高，又将影响到保护装置的正常工作。分支电势的构成方式还可进一步减少小匝数匝间短路所占的比率，以进一步提高主保护配置方案的性能。其次，在“半波绕组”发电机主保护配置方案中有目的地保留完全纵差保护，以区分主保护动作的原因是转子偏心振动还是内部短路；当机组状态监测装置显示上导轴承的摆度及气隙同心度等均未超标，横差保护动作完全而纵差保护未动作不反应分支不平衡电流时，则可判断事故为转子偏心振动引起，大大减少了故障检修的时间。
结束语：本文分析了水轮发电机定子绕组过程。发电机定子绕组形式的选择应兼顾电机设计和继电保护的要求，为发电机主保护性能的显著提高创造条件。
参考文献：
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2诸嘉慧，邱阿瑞．转子偏心对不同绕组形式大型凸极同步发电机支路感应电动势的影响．电工技术学报，2019，24(7)：1．5． 3高景德，王祥珩，李发海，等．交流电机及其系统的分析[M]．北京：清华大学出版社，2017．
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