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大电机系统理论与应用

1)大型同步发电机内部故障的理论分析方法

交流电机的多回路理论由本学科的王祥珩教授和高景德院士共同提出,是一项原创性科学研究成果。该理论突破了传统电机理论的局限,把电机看作由若干相互运动的回路组成的电路,用电路分析的理论解决电机的问题。由于电机定、转子回路的相对运动,而且电机磁路由气隙和具有齿槽的定转子铁芯共同组成、受铁磁饱和因素的影响,所以电机的多回路分析法比一般的电路分析更加复杂。

定量分析大型同步发电机定子绕组内部发生故障时的电磁状态,比较各种可能部位故障的影响,一直是大型同步发电机理论分析中有待解决的难点问题。本学科成功地将多回路理论应用于大型发电机定子绕组内部故障仿真,在不同品种型号、容量和结构形式的多个电机上进行了各种工况下的大量工业和实验室实验,为大型发电机内部故障主保护的定量化设计奠定了理论基础。

“十五”期间,交流电机的多回路理论得到了进一步的拓展和完善。为了研究大型发电机的中性点接地方式和定子绕组单相接地故障,需要考虑定子绕组对地分布电容的影响。为此建立了不仅含有电感电阻,还含有准分布电容(表述定子绕组对地电容)的数学模型,据此可以定量计算不同接地方式下定子绕组单相接地时的接地电流和过电压的稳态和动态过程。大量的实验研究与仿真结果对比验证了这种扩展的多回路模型的正确性。新的分析方法为合理选择大型发电机中性点接地方式及设计更先进的定子绕组单相接地保护奠定了理论基础,同时也拓展了多回路理论的内容与应用范围。

为了提高多回路模型的精确度,更好地考虑铁芯饱和及涡流的作用,建立了多回路和电磁场有限元相结合的模型。在实验室电机和动态模拟电机上完成了各种工况下的仿真和试验对比,验证了场路结合模型有更高的仿真精度。采用多回路理论与电磁场有限元相结合的场路分析法分析了大型发电机转子偏心导致的发电机参数变化和内部环流问题,为设计考虑偏心影响的发电机保护方案提供了理论依据。

相关的部分理论成果已在IEEIEEE会刊上发表,并出版了学术专著《交流电机及其系统的分析》(第二版)、《电气主设备继电保护原理与应用》(第二版)和《大型发电机变压器内部故障分析与继电保护》。

代表性的论文和专著如下:

[1] 高景德, 王祥珩, 李发海. 交流电机及其系统的分析(第二版). 北京: 清华大学出版社, 2005.

[2] X.H. Wang, Y.G. Sun, B.Ouyang, W.J. Wang, Z. Q. Zhu and D. Howe. Transient behaviour of salient-pole synchronous machines with internal stator winding faults. IEE proc.-Electr. Power Appl., 2002, 149(2): 143-151. (SCI 546AJ) (EI 02196939196)

[3] Bi D Q, Wang X H and Wang W J. Improved transient simulation of salient-pole synchronous generators with internal and ground faults in the stator winding. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2005, 20(1):128-134. (SCI 900GJ) (EI 05139013791)

[4] 孙宇光,王祥珩,欧阳蓓. 凸极同步发电机定子绕组内部故障的瞬态计算及有关保护方案的分析. 电工技术学报, 2001, 16(1): 3-8. (EI 01386651463)

[5] 孙宇光,王祥珩,桂林, 王维俭. 场路耦合法计算同步发电机定子绕组内部故障的暂态过程. 中国电机工程学报, 2004 241: 136-141. (EI 04208164926)

[6] 欧阳蓓,王祥珩,孙宇光. 凸极同步发电机定子内部故障瞬态的仿真模型. 清华大学学报, 2001, 41(3): 9-12. (EI 01556801489)

[7] 毕大强,王祥珩,王善铭, 王维俭. 大型水轮发电机定子单相接地故障的暂态仿真. 电力系统自动化, 2002, 26(15): 39-44. (EI 02427145210)

[8] 张琦雪,王祥珩,毕大强. 大型同步发电机单相接地故障的暂态多回路分析---实验验证. 清华大学学报, 2003, 43(9): 1157-1160. (EI 04078020837)

[9] 张琦雪, 王祥珩, 王维俭. 大型水轮发电机定子中性点高阻接地暂态分析. 电网技术, 2004, 28(1): 30-33. (EI 04248210203)

[10] 诸嘉慧, 邱阿瑞, 孙宇光. 大型水轮发电机转子偏心下电感参数的有限元计算. 清华大学学报, 2006, 46(1): 13-16. (EI 06169831150)

2)大型同步发电机内部故障主保护的定量化设计

交流电机定子绕组内部故障是电机常见的破坏性很强的故障,配置可靠的发电机内部短路主保护是保障发电机安全可靠运行的重要措施。然而,长期以来,发电机内部短路主保护只讨论机端两相短路的灵敏度,对横差保护更无法讨论灵敏度问题。传统的发电机主保护配置方案设计中,由于缺乏有力的故障分析手段,只能凭经验和概念作定性推断,对于发电机定子绕组内部短路时主保护的灵敏度,设计者心中无数。

本学科成功地将多回路分析法应用于发电机内部故障的仿真计算,在此基础上,提出了发电机内部故障主保护的定量化设计的新概念。针对不同结构的发电机绕组,提出了不同的定量化及优化设计过程,为科学制定发电机主保护配置方案及合理选择发电机中性点侧分支引出方式和电流互感器配置方案开辟了新途径。随着工程实践经验的积累和总结,又陆续提出了一些新的技术观点——即在发电机主保护的定量化设计中须考虑内部短路的发生几率,以及把电机设计与继电保护相联系,以优化设计发电机的定子绕组等。

上述设计方法和技术观点已被本行业的国内、外企业所采用。目前,国内所有在建的单机容量700MW的水电站(三峡、龙滩、拉西瓦、小湾等)和大坝、秦山核电二期等火(核)电站(共计三十余座电站)大多采用了本学科设计的内部故障主保护。此前安装的龙羊峡和凤滩等电站的发电机主保护已被证实正确动作,为保障我国大型发电机组的安全可靠运行做出了贡献。

大型发电机定子绕组内部故障分析和主保护配置领域的两个项目分别于2001年和2003年通过由教育部组织的科技成果鉴定。鉴定意见认为:“课题组对同步电机定子绕组内部故障的研究成果,在研究的深度和应用的广度方面居于电机内部故障分析的国际领先地位”,“在全面分析计算发电机内部故障的基础上,结合电机实际和微机保护运行经验,在水轮发电机微机主保护配置方案和设计方法方面处于国际领先水平”。

由于在故障分析和保护方面的贡献,本学科的研究项目“大型发电机定子绕组内部故障分析及其主保护的定量化设计”于20051月获得教育部科技进步二等奖。

代表性的论文和专著如下:

[1] 王维俭, 王祥珩, 王赞基. 大型发电机变压器内部故障分析与继电保护. 北京: 中国电力出版社, 2006.

[2] Xiangheng Wang, Songlin Chen, Weijian Wang, Yuguang Sun and Longya Xu. A Study of Armature Winding Internal Faults for Turbogenerators. IEEE Trans. on IA, 2002, 38(3): 625-631. (SCI 555YC) (EI 02307027423)

[3] 诸嘉慧,袁新枚,邱阿瑞,王维俭, . 大型水轮发电机转子偏心对单元件横差保护影响的分析. 电力系统自动化, 2005, 29(11): 45-48. (EI 05289208227)

[4] 王维俭, 桂林, 王祥珩. 主设备保护若干问题的商榷. 电力系统自动化, 2001, 25(23): 58-61. (EI 02016817953)

[5] 桂林,王祥珩,孙宇光,王维俭. 大型发电机主保护配置方案的优化设计. 清华大学学报, 2005, 45(1): 141-144. (EI 05139014252)

[6] 孙宇光, 王祥珩, 桂林, 王维俭. 偶数多分支发电机的主保护优化设计. 电力系统自动化, 2005, 29(12): 83-87. (EI 05309265626)

[7] 桂林, 王维俭, 孙宇光, 王祥珩, . 三峡右岸发电机主保护配置方案设计研究总结. 电力系统自动化, 2005, 29(13): 69-75. (EI 05339304742)

[8] 桂林, 王维俭, 孙宇光, 王祥珩, . 计及故障发生几率的发电机主保护定量化设计. 电力自动化设备, 2006, 26(6): 1-4. (EI 064110165700)

[9] 桂林, 王祥珩, 王剑, . 大型汽轮发电机绕组同槽同相调查及保护方案定量化设计. 电力系统自动化, 2004, 28(17): 75-79. (EI 04488687341)

[10] 毕大强, 王祥珩, 桂林, 王维俭. 基于零序电压故障暂态分量的发电机定子单相接地保护方案研究. 中国电机工程学报, 2003 2311: 39-44. (EI 04128075258)

[11] 毕大强,王祥珩,王维俭. 基于3次谐波电压故障暂态分量的发电机定子单相接地保护. 电力系统自动化, 2003, 27(13): 45-49. (EI 03427682484)

[12] 毕大强, 王祥珩, 王维俭.基于小波变换的发电机定子单相接地保护能量法. 电力系统自动化, 2003, 27(22): 50-55. (EI 04268238139)

[13] 毕大强, 王祥珩, . 高准确度外加20Hz电源定子单相接地保护的研制. 电力系统自动化, 2004, 28(16): 75-78. (EI 04458452384)

[14] 毕大强,王祥珩,王维俭.大型水轮发电机中性点接地方式的若干问题分析. 电工技术学报, 2002, 17(4): 7-12. (EI 03187457846)

[15] 桂林, 王祥珩, 王维俭. 新型标积制动式差动保护的分析研究. 电力系统自动化, 2001, 25(22): 15-21. (EI 01556801394)

“十五”期间在前一方向和本方向上共培养博士后3名(许伯强、毕大强、桂林),博士4名(孙宇光、毕大强、桂林、张琦雪),硕士3名(刘涛、周茜、董恩钊)。

3)大型变压器保护策略与励磁涌流分析

电力变压器是发电厂和变电站中的主要电气设备。变压器的继电保护对于保障其安全可靠运行工作是极为重要的。目前现场运行电力变压器的主保护大多采用纵差保护,但与发电机继电保护相比,变压器的纵差保护平均正确动作率明显偏低。造成变压器纵差保护误动的原因是多方面的,因变压器的励磁涌流现象而导致的保护方法本身的缺陷通常占有很大的比重。

变压器在空载合闸或外部故障切除后电压恢复时,由于铁心饱和的原因,在暂态过程中可能出现很大的励磁涌流,有时还会与正在运行的相邻并联或级联变压器之间产生和应作用,诱发和应涌流。因此,必须正确地识别变压器中的励磁涌流现象,并在纵差保护中适当地整定涌流闭锁环节,从而避免保护的误动。

十五期间,本学科在变压器励磁涌流现象的形成机理和识别方法两方面进行了较为深入的分析研究。围绕和应涌流现象,对其发生和发展的过程、影响因素和产生危害的原因进行了探讨。提出了基于不同区域平均等效瞬时电感比值和非饱和区等效瞬时电感的变压器励磁涌流鉴别新方法,利用这些方法,可以有效地降低变压器差动保护的误动率。

上述研究成果的代表性论文如下:

[1] 毕大强, 王祥珩, 梁武星, 杨恢宏, 王维俭. 基于不同区域平均等效瞬时电感比值的励磁涌流鉴别方法.电力系统自动化,200529(17)49-53(EI 05419405476)

[2] 毕大强,王祥珩,王剑,余高旺,王维俭.基于非饱和区等效瞬时电感的变压器励磁涌流鉴别方法.电力自动化设备,200525(10)1-6

[3] 毕大强, 王祥珩, 李德佳, 余高旺, 王赞基, 王维俭. 变压器和应涌流的理论探讨. 电力系统自动化,200529(6)1-8(EI 05179069985)

[4] 葛宝明, 苏鹏声, 王祥珩, 王维俭. 基于瞬时励磁电感频率特性判别变压器励磁涌流. 电力系统自动化,200226(17)35-40(EI 02447178551)

[5] 余高旺,毕大强,王志广,吴水兰.变压器和应涌流现象及实例分析.电力系统自动化,200529(6)20-23(EI 05179069988)

[6] 李德佳, 王维俭, 毕大强. 变压器暂态饱和与和应涌流实例分析. 高压电器,200541(1)12-15(EI 05119000240)