0 引言
汽轮发电机定子绕组内部短路故障对电机的危害很大，进而影响系统的安全。为了及早检测到机组故障，有必要对定子绕组内部故障的规律进行深入研究。随着汽轮发电机组容量的不断增加，需要对现有的各种机组保护方案进行重新评价，同时提出新的保护方案。文献［1～4］运用多回路法对水轮发电机空载和带负载时定子绕组内部故障规律进行了深入研究，文献［5］在分析汽轮发电机定、转子绕组内部故障和非正常运行时所采用的方法与多回路分析法相似，其电感系数通过数值场计算得到，计算量相当大。本文利用多回路法研究汽轮发电机定子绕组内部短路，应用编制的电机仿真程序来仿真计算电机在内部故障时的过渡过程。汽轮发电机定子绕组内部故障时，绕组的分布、连接方式、发生故障的空间位置和短路的匝数对其各故障量的影响很大，本文主要讨论匝间短路匝比的影响、故障空间位置的影响等，然后根据讨论结果提出相应的保护方案。
1 匝间故障时短路匝比的影响
匝间短路是定子绕组较常见的故障之一。本文研究的30 kVA模拟汽轮发电机定子绕组每相有2个并联分支，每个支路有9个线圈，每个线圈有8匝，运用仿真程序进行了发电机空载时a1支路发生不同匝比的匝间短路计算，见图1，其稳态计算结果如表1 所示。
由表1可以看出：短路匝比α越小，短路环电流id、短路匝电流id′越大，且约和短路匝比的零点几次方成反比。这是因为，对于短路匝而言，直流励磁产生的电势基本正比于匝比α，而其自感却正比于α的一点几次方，故短路电流与α的零点几次方成反比。短路所在支路的电流随着α的增加而增大。另外发电机中性点连线的电流io-o，机端零序电压u0以及励磁电流的二次谐波分量ifd2均随着α的增加而上升。
图1 匝间短路示意图
Fig.1 Schematic diagram of internal fault
on a1 branch
表1 a1分支匝间短路不同匝比的仿真计算结果
Table 1 Simulation results of internal fault
on a1 branch with different windings ratio
匝比α/
(%)
ia1/A
ib1/A
ic1/A
id/A
id′/A
io-o/A
ifd2/A
u0/V
11.1
4.54
1.56
3.71
113.23
110.41
2.75
0.042
3.13
22.2
8.89
2.42
5.35
87.49
80.56
3.82
0.063
3.51
33.3
13.71
2.94
6.09
78.12
66.45
6.31
0.082
4.94
44.4
18.62
3.51
6.54
80.92
63.42
9.81
0.115
7.10
55.6
21.06
2.63
4.88
72.91
52.58
15.36
0.130
7.32
66.7
22.57
1.98
4.01
62.24
40.36
21.15
0.131
7.87
77.8
25.26
2.13
2.09
58.03
33.27
26.71
0.142
8.89
88.9
26.70
1.33
1.10
55.32
28.79
28.22
0.156
9.18
注：上述值皆为有效值；id为短路环电流；id′为短路匝电流；io-o为中性点连线电流；u0为机端零序电压；ifd2为励磁电流二次谐波分量；ib1为B相1分支电流；ic1为C相1分支电流。由于是空载匝间短路，各相2个分支的电流应大小相等，方向相反，故表中只列出1个分支电流。
2 故障时空间位置的影响
2.1 同分支不同位置的短路
在电机同一分支上发生相同匝比的匝间短路时，若短路的空间位置不同，由于短路线圈同其他所有回路的互感不同，短路时各故障特征量也各不相同。本文分析了发电机空载时在a1分支上发生3种相同匝比α的匝间短路，其稳态仿真计算结果如表2。
表2 a1分支不同位置的短路仿真计算结果
Table 2 Simulation results of internal fault
on a1 branch with different position
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