CN101004439A - 一种发电机冲击过电压预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发电机冲击过电压预测方法，其特点是通过构造发电机有源暂态电路模型，用发电机有源暂态电路等效实际运行的发电机，实时监测发电机入口端的冲击过电压，再现重构冲击过电压，重构的冲击过电压作为发电机有源暂态电路的入口冲击电压源，求解发电机有源暂态电路与冲击电压源构成的网络暂态电路，预测发电机定子绕组过电压分布情况和过电压对发电机的冲击危害程度，完成大型发电机在冲击过电压的越限报警任务，即对操作过电压或雷击过电压下的绝缘安全预测与评估。

Description

一种发电机冲击过电压预测方法

技术领域

本发明涉及一种发电机冲击过电压预测方法，属于电气工程应用。

背景技术

随着现代国民经济快速发展，电能需求量日益增长，促使发电设备的单机容量加大，大型或巨型发电机组不断投入电网运行。由于大电网电压等级的提高以及发电厂“黑启动”过程的加快，从而过电压情况比较严重。冲击过电压(操作过电压、雷击过电压)对大容量发电机的危害性也就越显突出，这些冲击过电压在发电机定子绕组上分布不均，造成发电机内部绝缘击穿，诱发绝缘事故，直接影响发电机组的安全运行，危及电力系统稳定运行，甚至造成停电事故，对国民经济带来巨大损失。因此，对发电机冲击过电压预测方法的需求也甚为迫切，相关文献报导的有：

(1)Li Zhe-sheng，J.L.Kirtley，“Switching Surge Voltage Distribution inSuperconducting Generators”，IEEE Trans.on PAS，1985，Vol.PAS-104，No.8：2190-2197

(2)徐玮，赵毅等，“大型发电机定子绕组冲击电压分布”，高电压技术，1994，No.3：14-18

(3)Toshihisa Funabashi，et al.，“Generator Modeling for Transformer TransferVoltage Study”，IEEE Trans.on Energy Conversion，1999，Vol.14，No.4：1193-1198

文献(1)、(2)和(3)采用发电机暂态电路模型，预测发电机定子绕组上的冲击过电压分布，研究冲击过电压对发电机内部绕组的冲击过程。但是，文献(1)、(2)和(3)都用发电机无源暂态电路处理实际运行的发电机，对发电机冲击过电压预测的误差增大。由于实际运行的大容量发电机定子绕组各段导体上存在感应电动势，采用无源暂态电路模型难以对冲击过电压进行准确描述，由此预测定子绕组过电压分布情况是与实际运行不相吻合。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种发电机冲击过电压预测方法：其特点是通过构造发电机有源暂态电路模型，用发电机有源暂态电路等效实际运行的发电机；实时监测发电机入口端的冲击过电压，再现重构冲击过电压，重构的冲击过电压作为发电机有源暂态电路的入口冲击电压源；求解发电机有源暂态电路与冲击电压源构成的网络暂态电路，预测发电机定子绕组过电压分布情况和过电压对发电机的冲击危害程度，完成大型发电机在冲击过电压(操作过电压、雷击过电压)下的绝缘安全预测评估。

本发明的目的由以下技术措施实现。

发电机冲击过电压预测方法包括以下步骤：

(1)构造发电机有源暂态电路模型

根据大型同步发电机的结构模型，定子上有三相对称交流绕组。由于过电压冲击波在大型发电机绕组中的传播过程和在输电线路中的传播过程极为相似，只是发电机传播的路径被嵌入在发电机定子铁心的槽内。

由于实际交流绕组处于旋转磁场中，并切割旋转磁场，产生发电机的感应电动势E(t)，发电机定子线棒导体中感应电动势e_x(t)随时间变化的波形和发电机气隙磁感应强度B_x在空间的分布波形相一致，对稳定运行的同步发电机，单位长度(l)线棒导体中感应电动势e_x(t)＝B_xlv，正比于导体所切割的气隙磁感应强度，只考虑磁场基波时，发电机的感应电动势e_x(t)为正弦波，电势e_x(t)频率f＝Pn/60，n为同步发电机转速，P为同步发电机磁极对数。

在大型发电机中，定子三相绕组由单匝短距线圈构成且对称分布，每相产生的发电机电动势∑E(t)是三相对称。对大型发电机每相定子绕组电路，采用电机理论中的电路、磁路计算方法，计算出一根定子线棒导体切割转子磁场感应的交流基波电动势为

E(t)＝2.22fΦ₁               (1)

其中Φ₁为电机定子每极基波磁通。在大型发电机绕组中均匀分布着许多定子线棒导体，这些导体中的感应电动势有效值、频率和波形均相同，但这些感应电动势e_x(t)在时间上的相位差可由电机理论中的槽电动势星形图获得

e_x(t)＝E(t)sin(ωt-n^*α)    (2)

其中n^*为定子槽号数，α为槽距角，ω为工频角频率。当第n^*定子槽嵌入的绕组线棒被等分成m段，计算出发电机有源暂态网络模型中的分段线棒导体中的感应电动势为

$e\left(t\right)=\frac{2.22\sqrt{2}f{\mathrm{\φ}}_1}{m}\sin (\mathrm{\ωt}-n^{*}\mathrm{\α})---\left(3\right)$

发电机有源暂态电路模型与发电机无源暂态电路模型的根本区别在于在发电机暂态电路模型中考虑了绕组各段导体上的感应电动势，发电机有源暂态电路模型如图2所示。发电机有源暂态电路模型电气参数R、L、C、e(t)是发电机冲击过电压预测所必备的数据，R为发电机定子线棒单元长度导体电阻，L为发电机定子线棒单元长度导电电感，C为发电机定子线棒单元长度导体对地电容，根据大型电站发电机组的相关设计数据，在离线方式下采用场路结合的电气参数计算模式，对每种发电机运行工况计算出发电机有源暂态电路模型电气参数(R、L、C、e(t))值，存贮在发电机有源暂态电路模型数据库中，减少在线计算的工作量。

(2)实时监测发电机入口端的冲击过电压，再现重构冲击过电压源

在线实时监测发电机入口端的冲击过电压。鉴于冲击过电压波具有高频振荡的特点，选用电容分压器作为采集过电压信号的传感元件，分压后的过电压信号送入到30MHz取样速率的A/D数模转换器(ADS931)中转换成数字信号，再送入微型计算机，完成采样、存储和再现重构冲击过电压源的工作。

实时监测大型发电机入口端三相线路上的冲击电压波[U_a(t)，U_b(t)，U_c(t)]：

$U=[U_1\left(t\right),U_2\left(t\right),\·\·\·,U_i\left(t\right),\·\·\·U_n\left(t\right)]$

$=\left[\begin{array}{cccccc}{U}_{a1}\left(t\right)& U_{a2}\left(t\right)& \·\·\·& U_{\mathrm{ai}}\left(t\right)& \·\·\·& U_{\mathrm{an}}\left(t\right)\\ U_{b1}\left(t\right)& U_{b2}\left(t\right)& \·\·\·& U_{\mathrm{bi}}\left(t\right)& \·\·\·& U_{\mathrm{bn}}\left(t\right)\\ U_{c1}\left(t\right)& U_{c2}\left(t\right)& \·\·\·& U_{\mathrm{ci}}\left(t\right)& \·\·\·& U_{\mathrm{cn}}\left(t\right)\end{array}\right]---\left(4\right)$

U_i(t)为大型发电机定子三相(A、B、C)出线端处的冲击电压集合。由于现场采集到的暂态过电压U_i(t)只能为离散波形，通过数学方法(插值，拟合)，搜索其波峰与陡度，重构冲击过电压源的函数G(t)。通过重构的冲击过电压作为发电机有源暂态电路的入口冲击电压源，完成发电机有源暂态电路与冲击电压源构成的网络暂态电路(如图3所示)；

(3)求解发电机有源暂态电路与冲击电压源构成的网络暂态电路

在发电机有源暂态电路与冲击电压源构成的网络暂态电路基础上，建立在冲击过电压(操作过电压、雷击过电压)下的大型发电机暂态电路状态方程，求解发电机绕组过电压分布。

根据图3的网络暂态电路，建立暂态网络节点电压状态方程

Y_nV_n＝J_n    (5)

式中

$\left\{\begin{array}{c}{Y}_u={\mathrm{AYA}}^T\\ J_n=-{\mathrm{AYV}}_g\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中系数矩阵y_n为暂态网络的节点导纳矩阵，其矩阵元素以发电机有源暂态电路的电气参数(R，L，C)组成，A为暂态网络拓扑关联矩阵，A^T是A的转置矩阵，V_n为发电机有源暂态电路的节点电压向量，J_n为暂态网络节点电流源向量，它由独立电压源的诺顿等效电流向量AYV_g表示。V_g由发电机有源暂态电路模型中的感应电动势e(t)组成。

在暂态过程计算中，采用计算机数值求解方法，用时间步长Δt对暂态网络节点电压状态方程进行离散处理，计算出等效冲击电压源G(t)作用下，在t＝Δt、t＝2Δt、……时刻大型发电机绕组上的过电压。

(4)预测冲击过电压对发电机危害程度

根据计算出的发电机绕组过电压结果，绘制冲击过电压在发电机绕组上的分布图，设置冲击过电压的越限值。通过图像识别技术，对可能突发绝缘事故的区域进行搜索，预测可能发生绝缘事故的隐患点(绝缘损伤或击穿，诱发局部放电事故)，完成冲击过电压的越限报警任务。

通过发电机冲击过电压预测方法的预测实施步骤，在线预测发电机定子绕组过电压分布情况和过电压对发电机的冲击危害程度，完成大型发电机在冲击过电压(操作过电压、雷击过电压)下的绝缘安全预测评估。

本发明具有如下优点：

1.通过构造发电机有源暂态电路模型，等效实际运行的发电机，完善发电机暂态电路模型的准确性，提高了发电机冲击过电压的预测精度。

2.以实时监测发电机入口端的冲击过电压，再现重构冲击过电压，作为发电机有源暂态电路的入口冲击电压源，在线完成发电机在冲击过电压(操作过电压、雷击过电压)下的冲击危害程度和绝缘安全的预测评估，大幅度提升了发电机冲击过电压预测的实时性和安全性。

3.对确保大机组安全可靠的运行，提高发电质量具有实际意义，对电力系统安全供电具有较大的社会经济效益。

附图说明

图1为发电机冲击过电压预测方法的系统结构框图

1电网母线，2电力变压器，3发电机入口端母线，4大型发电机，5采样分压电容器，6A/D转换器，7微型计算机。

图2为发电机有源暂态电路模型图

图3为发电机有源暂态电路模型与冲击电压源构成的网络暂态电路图

图4为发电机冲击过电压预测方法的电路图

1电网母线，2电力变压器，3发电机入口端母线，4大型发电机，5采样分压电容器，6A/D转换器，7微型计算机下位微机，8微型计算机上位微机，9数据库，10图像显示器，11输出图像数据打印机，12报警器。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述本发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。

实施例

发电机冲击过电压预测方法完成的工作包括：构造发电机有源暂态电路模型，用发电机有源暂态电路等效实际运行的发电机；实时监测发电机入口端的冲击过电压，再现重构冲击过电压，重构的冲击过电压作为发电机有源暂态电路的入口冲击电压源；求解发电机有源暂态电路与冲击电压源构成的网络暂态电路，预测发电机子绕组过电压分布情况和过电压对发电机的冲击危害程度，完成大型发电机在冲击过电压(操作过电压、雷击过电压)下的绝缘安全预测评估。

发电机冲击过电压预测方法如图1～4所示。图4中1为电网母线，2为电力变压器，3为发电机入口端母线，4为大型发电机，5为采样分压电容器，6为A/D模数转换器，7为微型计算机的下位微机，8为微型计算机的上位微机，9为数据库，10为图像显示器，11为输出图像数据的打印机，12为报警器。发电机冲击过电压预测过程：(1)构造发电机有源暂态电路模型：根据大型电站发电机组的相关设计数据，在离线方式下采用场路结合的电气参数计算模式，对每种发电机运行工况计算出发电机4的有源暂态电路模型电气参数(R、L、C、e(t))值，R为发电机定子线棒单元长度导体电阻，L为发电机定子线棒单元长度导电电感，C为发电机定子线棒单元长度导体对地电容，存贮在数据库9中。(2)实时监测发电机入口端的冲击过电压，再现重构冲击过电压源：从电网母线1出发的冲击过电压波，通过电力变压器2传递到发电机4的端口3处，被采样分压电容器5的电容器组C2、C1分压，电容器C2采集的小电压冲击波通过信号线进入A/D转换器6(型号ADS931，美国BB公司出品，转换最小时间30ns)输入口，由ADS931进行高速度的模数转换，转换后数据通过数据总线从ADS931输出口进入微型计算机的下位微机7的数据输入口，下位微机(单片机AT89C51)对电压冲击波的数字信号进行高速采集，同时单片机AT89C51通过串行口RSC232把采集数据上传到微型计算机的上位微机8，上位微机为系统微型计算机，进行数据采样、数据存储、再现重构冲击过电压源，完成发电机有源暂态电路与冲击电压源构成的网络暂态电路的工作。(3)求解发电机有源暂态电路与冲击电压源构成的网络暂态电路：微型计算机的上位机8采用计算机数值求解方法，在时间步长Δt上离散化暂态网络节点电压状态方程，计算出等效冲击电压源作用下，在t＝Δt、t＝2Δt、……时刻大型发电机绕组上的过电压。(4)预测冲击过电压对发电机危害程度：根据计算出的发电机绕组过电压结果，微型计算机的上位微机8绘制冲击过电压在发电机绕组上的分布图，设置冲击过电压的越限值，通过图像识别，预测绝缘事故的区域及隐患点，预测数据和图像输入到数据库9存储、输入到图像显示器10显示和输入到打印机11打印，越限报警指令传送到报警器12，完成冲击过电压的越限报警任务。通过发电机冲击过电压预测方法的预测实施，在线预测发电机子绕组过电压分布情况和过电压对发电机的冲击危害程度，完成大型发电机在冲击过电压(操作过电压、雷击过电压)下的绝缘安全预测评估。

Claims (1)

1、一种发电机冲击过电压的预测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)构造发电机有源暂态电路模型

采用电机理论中的电路、磁路计算方法，计算出一根定子线棒导体切割转子磁场感应的交流基波电动势为

E(t)＝2.22fФ₁    (1)

其中f＝Pn/60，n为同步发电机转速；

P为同步发电机磁极对数；

Ф₁为发电机定子每极基波磁通。

定子线棒导体中的感应电动势e_x(t)在时间上的相位差由电机理论中的槽电动势星形图获得

e_x(t)＝E(t)sin(ωt-n^*α)    (2)

其中n^*为定子槽号数，α为槽距角，ω为工频角频率。当第n^*定子槽嵌入的绕组线棒被等分成m段，计算出发电机有源暂态电路模型中的分段线棒导体中的感应电动势为

$e\left(t\right)=\frac{2.22\sqrt{2}f{\mathrm{\φ}}_1}{m}\sin (\mathrm{\ωt}-n^{*}\mathrm{\α})---\left(3\right)$

对每种发电机运行工况计算出发电机有源暂态电路模型电气参数R、L、C、e(t)值，R为发电机定子线棒单元长度导体电阻，L为发电机定子线棒单元长度导电电感，C为发电机定子线棒单元长度导体对地电容，存贮在发电机有源暂态电路模型数据库中，减少在线计算的工作量；

(2)实时监测发电机入口端的冲击过电压，再现重构冲击过电压源

实时监测大型发电机入口端三相线路上的冲击电压波[U_a(t)，U_b(t)，U_c(t)]

$U=[U_1\left(t\right),U_2\left(t\right),\·\·\·,U_i\left(t\right),\·\·\·U_n\left(t\right)]$

$=\left[\begin{array}{cccccc}{U}_{a1}\left(t\right)& U_{a2}\left(t\right)& \·\·\·& U_{\mathrm{ai}}\left(t\right)& \·\·\·& U_{\mathrm{an}}\left(t\right)\\ U_{b1}\left(t\right)& U_{b2}\left(t\right)& \·\·\·& U_{\mathrm{bi}}\left(t\right)& \·\·\·& U_{\mathrm{bn}}\left(t\right)\\ U_{c1}\left(t\right)& U_{c2}\left(t\right)& \·\·\·& U_{\mathrm{ci}}\left(t\right)& \·\·\·& U_{\mathrm{cn}}\left(t\right)\end{array}\right]---\left(4\right)$

U_i(t)为大型发电机定子三相(A、B、C)出线端处的冲击电压集合，由于现场采集到的暂态过电压U_i(t)只能为离散波形，通过数学方法(插值，拟合)，搜索其波峰与陡度，重构冲击过电压源的函数G(t)，通过重构的冲击过电压作为发电机有源暂态电路的入口冲击电压源，完成发电机有源暂态电路与冲击电压源构成的网络暂态电路；

(3)求解发电机有源暂态电路与冲击电压源构成的网络暂态电路

根据网络暂态电路，建立暂态网络节点电压状态方程

Y_nV_n＝J_n    (5)

式中

$\left\{\begin{array}{c}{Y}_n={\mathrm{AYA}}^T\\ J_n=-{\mathrm{AYV}}_g\end{array}---\left(6\right)\right.$

其中系数矩阵Y_n为暂态网络的节点导纳矩阵，其矩阵元素以发电机有源暂态电路的电气参数(R、L、C)组成，A为暂态网络拓扑关联矩阵，A^T是A的转置矩阵，V_n为发电机有源暂态电路的网络节点电压向量，J_n为暂态网络节点电流源向量，它由独立电压源的诺顿等效电流向量AYV_g表示，V_g由发电机有源暂态电路模型中的感应电动势e(t)组成，在暂态过程计算中，采用计算机数值求解方法，用时间步长Δt对暂态网络节点电压状态方程进行离散处理，计算出等效冲击电压源G(t)作用下，在t＝Δt、t＝2Δt、......时刻大型发电机绕组上的过电压；

(4)预测冲击过电压对发电机危害程度

根据计算出的发电机绕组过电压结果，绘制冲击过电压在发电机绕组上的分布图，设置冲击过电压的越限值，通过图像识别技术，对可能突发绝缘事故的区域进行搜索，预测可能发生绝缘事故的隐患点：绝缘损伤或击穿，诱发局部放电事故，完成大型发电机在冲击过电压的越限报警任务。

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