楊 玲，云昌鋒

（1.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇省南京市 211106；2.華能洋浦熱電有限公司，海南省洋浦區(qū) 578101）

0 引言

三機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)由主發(fā)電機(jī)、主勵(lì)磁機(jī)和副勵(lì)磁機(jī)組成，該系統(tǒng)中三個(gè)電機(jī)同軸相連，其中主勵(lì)磁機(jī)為主發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁電源，而副勵(lì)磁機(jī)作為主勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電源，當(dāng)副勵(lì)磁機(jī)為電勵(lì)磁同步電機(jī)時(shí)，其勵(lì)磁電流由外電源提供；當(dāng)為永磁電機(jī)時(shí)，則為永磁體提供勵(lì)磁[1]。

作為勵(lì)磁系統(tǒng)的重要組成部分，副勵(lì)磁機(jī)為交流無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)提供勵(lì)磁電流，其性能及可靠性運(yùn)行對(duì)整個(gè)機(jī)組的正常運(yùn)行構(gòu)成直接影響。

因此，副勵(lì)磁機(jī)的故障監(jiān)測(cè)對(duì)于整個(gè)電廠的重要性毋庸置疑，早期對(duì)于電機(jī)主要進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)視和測(cè)量電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信息和特征如電流、振動(dòng)、溫度等，以此來(lái)判斷電機(jī)的狀態(tài)是否正常，當(dāng)特征參數(shù)小于允許值時(shí)便認(rèn)為是正常，否則就異常。通常檢測(cè)結(jié)果不需要進(jìn)一步分析和處理，僅以有限的指標(biāo)來(lái)確定電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。目前對(duì)永磁機(jī)的匝間短路和相間短路已有一些研究，也有對(duì)副勵(lì)磁機(jī)的特性進(jìn)行研究[2-7]，但缺少接地短路對(duì)系統(tǒng)的影響情況的研究。

本文利用MATLAB/SIMULINK搭建接地短路模型，詳細(xì)介紹接地短路故障的模型及仿真數(shù)據(jù)，利用接地短路時(shí)，機(jī)端將出現(xiàn)零序電壓或者負(fù)序電壓的原理[8]，準(zhǔn)確識(shí)別接地短路故障發(fā)生位置。

1 副勵(lì)磁機(jī)接地短路故障仿真模型

1.1 測(cè)量原理

三相電網(wǎng)發(fā)生短路時(shí)將產(chǎn)生三相不對(duì)稱電壓，而任何不對(duì)稱的三相電壓都可以根據(jù)對(duì)稱分量法分解成正序、負(fù)序和零序三組分量[9]，其矢量表達(dá)式為：

（1）零序電壓過(guò)濾器

零序電壓過(guò)濾器由三個(gè)單相電壓互感器接成開(kāi)口三角形構(gòu)成，如圖1所示。模型中的具體的做法是互感器一次中心點(diǎn)通過(guò)電阻與電容并聯(lián)后接地。

圖1 零序電壓過(guò)濾器原理圖Figure 1 Schematic diagram of zero sequence voltage filter

（2）負(fù)序電壓過(guò)濾器

負(fù)序電壓過(guò)濾器的原理圖如圖2所示，采用阻容元件對(duì)電壓矢量作移相處理，電阻電容的參數(shù)應(yīng)滿足：

圖2 負(fù)序電壓過(guò)濾器原理圖Figure 2 Schematic diagram of negative sequence voltage filter

由于三相零序電壓等值且同相位，當(dāng)經(jīng)過(guò)負(fù)序電壓過(guò)濾器后，過(guò)濾器輸出電壓mn=0。

圖2所示負(fù)序電壓過(guò)濾器的輸出電壓為：

1.2 接地短路故障仿真模型

根據(jù)以上原理，搭建相應(yīng)的測(cè)量模塊。如圖3所示，仿真模型由永磁機(jī)（電源）、零序電壓測(cè)量Uk0、負(fù)序電壓測(cè)量Umn、交流側(cè)接地故障ABC-GND、轉(zhuǎn)子接地故障P-M-GND、可控硅整流、負(fù)載等組成。

圖3 接地短路故障仿真模型圖Figure 3 Simulation model diagram of grounding short circuit fault

各模塊的仿真參數(shù)如表1：要注意R1和R2阻值要適當(dāng)，一般選擇數(shù)百歐姆。取值太小，則計(jì)算出的C1和C2的容量較大，從而會(huì)增大負(fù)序電壓過(guò)濾器的體積和功耗[10-11]。

表1 仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters

2 副勵(lì)磁機(jī)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接地短路故障仿真數(shù)據(jù)

副勵(lì)磁機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，機(jī)端三相電壓是三相對(duì)稱的正序分量，沒(méi)有負(fù)序分量和零序分量。仿真波形圖中橫坐標(biāo)時(shí)間（單位為s），縱坐標(biāo)分別為電壓（單位V）及電流（單位A），如圖4所示，從上到下分別為交流側(cè)電壓ab、A相電流I˙、零序電壓k0和負(fù)序電壓mn。正常運(yùn)行時(shí)，交流側(cè)電壓峰值維持在442V左右，尖峰電壓維持在582V左右，電流約為400A。零序電壓約為0V，負(fù)序電壓維持在1.25V左右。

圖4 正常運(yùn)行仿真數(shù)據(jù)Figure 4 Normal operation simulation data

2.1 交流側(cè)接地故障

2.1.1 交流側(cè)單相接地

仿真條件：以A相接地為例，見(jiàn)圖6故障點(diǎn)①，接地時(shí)間：0.07s。

此時(shí)，交流側(cè)線電壓峰值由442V減小為330V左右，尖峰電壓由582V減小為450V左右，A相電流略有減小，不考慮。零序電壓由0V變?yōu)?25V左右，負(fù)序電壓由1.25V變?yōu)?10V左右，見(jiàn)圖5。

圖5 交流A相接地短路故障仿真數(shù)據(jù)Figure 5 Simulation data of phase A grounding short circuit fault

2.1.2 交流側(cè)兩相接地

仿真條件：A相、B相兩相接地，見(jiàn)圖6故障點(diǎn)①、②：B相接地時(shí)間為0.06s，A相接地時(shí)間為0.07s。

圖6 仿真結(jié)構(gòu)圖及故障點(diǎn)Figure 6 Simulation structure diagram and fault points

B相接地，交流側(cè)線電壓峰值由442V減小為330V左右，尖峰電壓由582V減小為450V左右，零序電壓由0V變?yōu)?25V左右，負(fù)序電壓由1.25V變?yōu)?10V左右。0.01s后A相接地，交流側(cè)線電壓峰值由325V減小為218V左右，尖峰電壓由450V減小為288V左右，零序電壓維持125V左右，負(fù)序電壓維持110V左右，見(jiàn)圖7。

圖7 交流B、A相接地短路故障仿真數(shù)據(jù)Figure 7 Simulation data of phase B and A grounding short circuit fault

2.2 直流側(cè)正負(fù)接地故障

2.2.1 轉(zhuǎn)子正接地

轉(zhuǎn)子側(cè)正接地時(shí)，見(jiàn)圖6故障點(diǎn)③，零序電壓從零變化為0.05V左右，同時(shí)A相電流正向最大峰值變?yōu)樵娏鞣逯?.6倍左右，見(jiàn)圖8。

圖8 轉(zhuǎn)子正接地短路故障仿真數(shù)據(jù)Figure 8 Simulation data of rotor positive grounding short circuit fault

2.2.2 轉(zhuǎn)子負(fù)接地

轉(zhuǎn)子側(cè)負(fù)接地時(shí)，圖6故障點(diǎn)④，零序電壓從零變化為0.05V左右，同時(shí)A相電流負(fù)向最大峰值變?yōu)樵娏鞣逯?.6倍左右，見(jiàn)圖9。

圖9 轉(zhuǎn)子負(fù)接地短路故障仿真數(shù)據(jù)Figure 9 Simulation data of rotor negative ground short circuit fault

2.2.3 轉(zhuǎn)子正先接地轉(zhuǎn)子負(fù)后接地

仿真條件：轉(zhuǎn)子正接地時(shí)間，見(jiàn)圖6故障點(diǎn)③、④：0.06s，轉(zhuǎn)子負(fù)接地時(shí)間：0.07s。

由圖10仿真數(shù)據(jù)可知，只有轉(zhuǎn)子正接地時(shí)零序電壓從零變化為0.05V左右，同時(shí)A相電流正向最大峰值變?yōu)樵娏鞣逯?.6倍左右，當(dāng)轉(zhuǎn)子負(fù)也接地，零序電壓從0.05V左右變化為0.2V左右，同時(shí)A相電流正負(fù)向最大峰值均變?yōu)樵娏鞣逯?.6倍左右。

圖10 轉(zhuǎn)子正負(fù)接地短路故障仿真數(shù)據(jù)Figure 10 Simulation data of rotor positive and negative grounding short circuit fault

2.3 交直流側(cè)接地故障

仿真條件：轉(zhuǎn)子正接地時(shí)間，圖6故障點(diǎn)③：0.06s，交流A相接地時(shí)間，圖6故障點(diǎn)①：0.07s。

由圖11可知，轉(zhuǎn)子正先接地，A相電流正向最大峰值變?yōu)樵娏鞣逯?.6倍左右，然后交流A相接地短路故障，此時(shí)出現(xiàn)零序電壓和負(fù)序電壓。

圖11 轉(zhuǎn)子正、交流A相接地短路故障仿真數(shù)據(jù)Figure 11 Simulation data of rotor positive and phase A grounding short circuit fault

綜上，在永磁機(jī)定子端部出線增加零序電壓過(guò)濾器，通過(guò)零序電壓的變化判別交流側(cè)接地故障；通過(guò)副勵(lì)磁機(jī)機(jī)端電壓及機(jī)端電流變化可判別直流輸出正負(fù)極接地故障。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)搭建副勵(lì)磁機(jī)、整流及負(fù)載模型及零序電壓、負(fù)序電壓測(cè)量模塊，分析出系統(tǒng)發(fā)生接地短路時(shí)，機(jī)端將出現(xiàn)零序電壓或者負(fù)序電壓，利用零序電壓過(guò)濾器及負(fù)序電壓過(guò)濾器可以識(shí)別接地短路故障。零序電壓增大時(shí)，電流如果基本不變化，則為本側(cè)接地故障；電流如果變化比相差1.2倍以上，則為勵(lì)磁側(cè)接地故障，為副勵(lì)磁機(jī)及其系統(tǒng)接地短路故障分析提供參考意見(jiàn)。