核电半速汽轮发电机单相短路时磁场特性分析

辛 鹏，刘亚丹

(吉林化工学院 信息与控制工程学院，吉林 吉林 132022)

随着现代经济的发展，电力需求与日俱增，发电机数量及单机容量亦随之增大.机组的安全稳定运行问题日益突出.一旦某种原因造成发电机出口单相短路故障，若不及时切除，将有可能造成发电设备的损坏，严重时危及电网的安全稳定运行[1-4].因此，有必要对发电机单相短路时机组电磁特性进行研究.

目前，国内外学者对发电机短路故障做了大量研究.文献[5]研究了永磁电机在单相、两相对地、三相及单相匝间短路故障下永磁体的去磁特性.文献[6]计算了发电机三相短路时转子动态电磁力特征.文献[7]对发电机机并网运行端短路时定子电流、电磁转矩等电气量的变化规律进行了计算.文献[8]对双馈感应发电机机端电压跌落后的电磁暂态变化进行了分析，建立了机端电压及励磁电流的解析模型.文献[9]采用多回路法对发电机启动过程中，内部故障对发电机主要参数的影响进行了研究.

本文以一台1407MVA大型核电半速汽轮发电机为研究对象，对发电机单机空载运行时出口发生单相短路进行了研究，对比了故障前后发电机磁场分布变化以及气隙磁密的变化特征.

1 发电机有限元模型

假设：铁芯材料磁导率各向同性，电机内的磁场为似稳场.忽略位移电流及定子铁芯涡流损耗，则电机内二维瞬态场的边值问题为：

(1)

式中：μ为磁导率；J为源电流密度；σ为电导率；A为矢量磁位；为定子外圆与转子内圆边界.

2 仿真建模及分析

本文以一台1407MVA核电半速汽轮发电机单机空载为研究对象，建立了场-路耦合仿真模型.发电机主要参数如表1所示：核电机组剖分后有限元模型如图1所示：

表1 核电半速汽轮发电机主要参数

图1 核电机组截面图

2.1 发电机正常运行时气隙磁场

发电机空载稳定运行时，磁密云图及气隙磁密如图2所示.

图2 正常空载时磁密云图

2.2 发电机出口单相短路时气隙磁场

在发电机稳定运行到1.5 s时，通过外电路设置，实现发电机A相对地短路，故障2.5 s后电机磁密云图分布如图3所示.

图3 单相短路时磁密云图

从图3中可以看出，虽然发电机出口单相短路故障相对于电力系统而言属于非对称性故障，但对发电机而言，从绕组分布出发，该故障可认为是对称性故障，因此，故障后发电机内部磁场分布仍对称.

故障前后气隙磁密分布及气隙磁密谐波分解如图4、图5所示.

气隙周长/m

f/Hz

通过图4可以看出，受故障后短路电流的影响，故障后气隙磁密波形明显发生畸变.通过图5可以看出，对比正常运行时气隙磁密可知，故障后气隙磁密基波分量明显减小，而奇数次谐波分量增大.

3 结 论

本文采用有限元方法，对发电机出口发生单相短路故障时机组的磁场特性进行了仿真研究,研究结果表明：发电机单相短路时，发电机磁场分布仍具有对称性；受短路电流影响，故障后气隙磁密明显畸变，通过对故障前后气隙磁密分解，指出故障后气隙磁密基波分量明显减小，而奇数次谐波分量增大.