大型水輪發(fā)電機(jī)故障暫態(tài)仿真及主保護(hù)優(yōu)化的研究與應(yīng)用.pdf

1、經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展為電力系統(tǒng)的建設(shè)提出了更高的要求，為了充分發(fā)揮我國豐富的水電資源優(yōu)勢(shì)，在連續(xù)的幾個(gè)五年計(jì)劃中，國家都規(guī)劃設(shè)計(jì)了一大批大型和特大型水電站，并逐步投入運(yùn)行。同時(shí)，所設(shè)計(jì)水輪發(fā)電機(jī)單機(jī)容量也不斷增大，例如三峽、龍灘和溪洛渡電站發(fā)電機(jī)單機(jī)容量均達(dá)700MW，金沙江的向家壩更是達(dá)到750MW，而白鶴灘水電站的單機(jī)設(shè)計(jì)容量則可能高達(dá)800MW左右。發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路故障破壞性極強(qiáng)，如缺乏有效的保護(hù)，一旦發(fā)生故障則必將對(duì)發(fā)電機(jī)造成重大損

2、壞，甚至可能影響水電站和整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此對(duì)大型水輪發(fā)電機(jī)實(shí)施有效的主保護(hù)至關(guān)重要。但大型水輪發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障暫態(tài)電磁關(guān)系復(fù)雜，建立適合發(fā)電機(jī)主保護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的故障仿真模型困難，目前，針對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路故障情況下仿真建模技術(shù)和主保護(hù)配置方案研究也成了國內(nèi)外重要的研究課題。 發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路故障特性的研究可以通過機(jī)組短路試驗(yàn)和數(shù)字仿真等手段來實(shí)現(xiàn)，但大型水輪發(fā)電機(jī)昂貴的價(jià)格使得不可能通過真機(jī)試驗(yàn)來進(jìn)行相關(guān)的研究工作，即使是

3、通過動(dòng)模機(jī)組也只能對(duì)個(gè)別模擬機(jī)組的有限短路點(diǎn)進(jìn)行部分試驗(yàn)，而數(shù)字仿真卻能方便地對(duì)各種結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)進(jìn)行分析研究，因此數(shù)字仿真手段成了研究故障特性和主保護(hù)方案的重要途徑。但發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路故障情況下暫態(tài)電磁關(guān)系復(fù)雜，如何建立適合主保護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)工程要求的暫態(tài)仿真模型是一個(gè)技術(shù)難題。 發(fā)生短路故障后，發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)不再對(duì)稱，氣隙磁場(chǎng)存在很強(qiáng)的諧波分量；而且，大型水輪發(fā)電機(jī)定子繞組形式復(fù)雜，因此研究發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路故障必須考慮空間磁場(chǎng)諧波和定

4、子短路匝位置兩個(gè)因素的影響。按照發(fā)電機(jī)內(nèi)部定轉(zhuǎn)子實(shí)際環(huán)路列寫磁鏈及電壓方程（有學(xué)者稱為多回路法）建立的仿真模型可以考慮這兩個(gè)因素的影響，但大型水輪發(fā)電機(jī)過多的阻尼網(wǎng)孔導(dǎo)致了極高的狀態(tài)方程組維數(shù)，不便求故障暫態(tài)解。雖然有研究人員提出了通過代數(shù)方程來求故障穩(wěn)態(tài)解的方法，但發(fā)電機(jī)主保護(hù)動(dòng)作時(shí)故障暫態(tài)過程并未結(jié)束，因此，主保護(hù)效果考核必須以故障暫態(tài)特性為基礎(chǔ)。 要將大型發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障暫態(tài)仿真模型應(yīng)用于主保護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的工程實(shí)際，首先需要解

5、決模型的合理簡(jiǎn)化問題。本文從轉(zhuǎn)子阻尼回路入手，采用基于轉(zhuǎn)子每極雙阻尼條的簡(jiǎn)化方法，以定子單匝線圈和等效阻尼網(wǎng)孔為基本單元，將故障短路支路等效為一條額外分支，通過列寫各回路的磁鏈及電壓方程建立了發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障暫態(tài)仿真模型，通過仿真計(jì)算驗(yàn)證了模型的正確性，并首次將此模型應(yīng)用于大型水輪發(fā)電機(jī)主保護(hù)優(yōu)化研究的工程實(shí)際。 動(dòng)模試驗(yàn)是電力系統(tǒng)故障研究的另一種重要手段，為更好地研究大型發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路故障情況下的電氣特性，再現(xiàn)可能發(fā)生的各種故障

6、和異常運(yùn)行情況，論文介紹了國內(nèi)首臺(tái)基于大型水輪發(fā)電機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)及電氣參數(shù)而建立的動(dòng)模機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造及相關(guān)動(dòng)模試驗(yàn)情況。動(dòng)模發(fā)電機(jī)定子分支數(shù)目和繞行情況完全仿照三峽左岸ALSTOM發(fā)電機(jī)的形式，電氣參數(shù)的設(shè)計(jì)也盡量與原型機(jī)一致，該動(dòng)模機(jī)組的建設(shè)為大型發(fā)電機(jī)保護(hù)研究和繼電保護(hù)裝置試驗(yàn)提供了完善的物理平臺(tái)。論文首次對(duì)比分析了多分支大型水輪發(fā)電機(jī)動(dòng)模機(jī)組內(nèi)部短路故障試驗(yàn)與數(shù)字暫態(tài)仿真計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證了基于轉(zhuǎn)子每極雙阻尼條的簡(jiǎn)化暫態(tài)仿真模型的

7、可行性與合理性。 論文探討了發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障暫態(tài)仿真及保護(hù)分析的可視化通用軟件設(shè)計(jì)，基于Windows的VC++開發(fā)了內(nèi)部短路故障集、故障仿真程序以及保護(hù)分析等功能的通用軟件，可作為實(shí)際工程應(yīng)用的仿真平臺(tái)。 國內(nèi)新建的一系列大型水電站中，發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置方案的確定都需要經(jīng)過系統(tǒng)的暫態(tài)仿真分析論證，論文對(duì)三峽右岸DFEM和ALSTOM 700MW、四川瀑布溝電站600MW和湖南柘溪電站250MW發(fā)電機(jī)故障集內(nèi)所有故障的暫態(tài)電