张春莉

(1． 水力发电设备国家重点实验室，黑龙江哈尔滨 150040； 2． 哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

大型水轮发电机生产运行中定子线棒匝间短路故障时有发生。由于对机组正常运行影响不大且故障特征不明显，因此经常被忽略，但长期运行匝间短路故障会导致一点甚至两点接地，发电机长期运行在故障状态会对其寿命产生影响，导致恶性事故的发生[1]。

随着电网规模不断扩大，发电机容量也越来越大，此时，当电机在较高参数工况下运行时，如发生定子绕组匝间短路，将会产生很大的短路电流，导致股线可能过热，严重时会烧毁绕组和铁心，后果十分严重。为此，有必要对大型水轮发电机定子线棒匝间短路故障引起的股线损耗进行研究。本文以官地水轮发电机为例，对定子线棒发生不同匝间短路情况的股线损耗进行了详细地计算与分析。

1 大型水轮发电机定子线棒换位方式计算

大型水轮发电机定子线棒换位一般有三种方式：一种是Robel360°换位；一种是不完全换位；一种是空换位。当铁心长度无法满足Robel360°换位要求时，采用不完全换位。当铁心长度满足360°换位要求时，可采用空换位方式。后两种方式可以很大程度减小环流损耗[2]。

1.1 计算方法

在水轮发电机定子线棒换位计算中，首先要准确地算出端部线棒附近的磁场及它们在各股线回路中感应的电势，然后求解整根线棒中各股线形成的回路方程，通过调整换位方案，使线棒的环流损耗最小，从而确定最佳换位方案。

1.1.1 端部磁场的计算

为了较准确地计算定子线棒附近的磁场，采用比奥—沙伐定律：

(1)

式中：idl为电流元向量；μ0为空气的磁导率；r为电流元到场点的距离向量。

1.1.2 线棒股线环流计算

在端部横向磁场作用下，上层线棒股线方程如下：

(2)

对径向磁场，也可列类似的方程来进行求解。

1.1.3 平均环流系数与最大环流系数

为了便于分析线棒股线环流的影响，引入最大环流系数与平均环流系数，定义如下：

(3)

(4)

式中：Ijmax为最大股线电流，I为平均股线电流。

平均环流系数标志着由于存在环流使线棒总铜耗增大的倍数，最大环流系数标志着最大股线电流的那根股线铜耗所增大的倍数。最佳空换位的长度选取原则是使这两个损耗系数尽可能小。

1.2 官地水轮发电机定子线棒最佳换位方式

通过以上方法计算得到官地水轮发电机不同空换位长度对应的平均环流系数和最大环流系数，其分布如图1所示。定子线棒最佳换位方式为空换位，空换位长度为300 mm，换位节距为42.42 mm，最大环流系数为1.95，最小环流系数为1.07。

佟老板又笑了笑说，这是份复印件。原件我已存档。你要是不信的话，可以上法院起诉，也可以找专家进行指纹比对，看是不是你的指纹。

图1 官地水轮发电机平均环流系数和最大环流系数

为了后面与定子匝间短路分析进行对比，对无匝间短路正常换位线棒时最佳空换位下每根股线损耗进行了计算， 结果如图2所示。Robel360°换位线

图2 每根股线损耗(VOL=300 mm)

棒每根股线损耗分布如图3所示，一根线棒总损耗比最佳换位方式增加约758.46 kW。

图3 Robel360°线棒每根股线损耗

2 水轮发电机定子线棒匝间短路分析

以官地水轮发电机为例，定子线棒采用300 mm空换位方式。对不同匝间短路进行分析，图4给出了一根线棒某一截面并联股线分布情况。定子线棒匝间短路情况非常复杂，匝间短路状态有多种多样，无法一一列举，为了分析简明起见，本文对发生一处多匝发生短路及多处多匝发生短路情况进行了计算与分析。

666564636261605958575655545352515049484746454443424140393837363534123456789101112131415161718192021222324252627282930313233

图4 股线分布

2.1 一处多匝短路

本文对官地水轮发电机定子线棒一处发生1匝和3匝短路情况股线损耗进行了计算。

2.1.1 一处1匝短路

一处1匝短路有多种两根股线短路的情况，由于篇幅有限，只给出10种1匝短路情况，其股线损耗计算结果见表1。

由表1结果可见，发生一处1匝短路时，最大股线损耗发生在股线1、2短路情况；一个线棒最大总损耗发生在股线34、35短路情况；所有一处1匝短路最大股线损耗对应股线大致都位于槽顶、槽底或短路匝。最大股线损耗偏大两处每根股线损耗分布如图5所示。

2.1.2 一处3匝短路

本文只给出了10种3匝短路情况，并对其股线损耗进行了计算，结果见表2。

表1 一处1匝短路股线损耗

a) 股线1、2短

b) 股线34、35短

短路股线号最大股线损耗/W最大股线损耗对应股线号一个线棒总损耗/W1～4172.87短路匝1 239.632～560.42短路匝1 141.277～1046.28短路匝1 168.7712～1546.22短路匝1 126.3722～2558.04短路匝1 151.0432～3599.76短路匝1 206.0734～37146.81短路匝1 243.3536～39131.87短路匝1 233.6338～40118.18短路匝1 222.8543～4652.58短路匝1 141.56

由表3结果可见，发生一处3匝短路，最大股线损耗超过Robel360°换位的最大股线损耗约67.5%，发生在股线1～4短路情况；一个线棒最大总损耗发生在股线34～37短路情况；所有最大股线损耗对应股线都位于短路匝。最大股线损耗偏大两处股线损耗分布如图6所示。

2.2 多处多匝短路

对于定子线棒多处多匝短路情况，本文抽取了其中比较典型的10种状态进行介绍，股线损耗计算结果见表3。

股线1～4短

股线34～37短

序号短路股线号最大股线损耗/W最大股线损耗对应股线号一个线棒总损耗/W144～45、64～65、61～6241.14341 189.2227～9、20～21、43～44、52～5348.8271 223.4038～9、14～15、38～39、49～50、56～5749.07341 331.57410～13、23～2553.53101 182.1854～6、12～13、17～18、50～5164.2241 266.0861～2、34～3573.5911 213.95734～35、64～65、61～6278.94341 215.7181～2、7～9、16～1883.2811 233.09914～18、54～5691.60141 258.991034～35、38～40、61～63101.17381 317.68

由发生多处多匝短路不同状态计算结果可见，最大股线损耗为100 W左右及以上的情况基本都发生在股线1附近和股线34附近发生短路时，由此可见在槽底或槽底发生匝间短路时，此时短路故障基本比较严重。

3 结论

分析大型水轮发电机定子线棒匝间短路，可以得到如下结论：

(1) 线棒股线匝间短路位置对股线损耗影响很大；

(2) 当发生一处股线间短路(1匝短路)时，最大股线损耗对应股线基本都位于槽顶或槽底或短路匝；

(3) 当发生一处2匝及以上短路时，最大股线损耗对应股线都位于短路匝；

(4) 短路匝数越多，相邻股线损耗差值越大，因此其温差越大；

(5) 当发生一处3～5匝短路时，有部分短路位置其最大股线损耗超过了Robel360°最大股线损耗，特别在槽底或槽底对应股线位置。随着短路匝数增加，最大股线高过Robel360°最大股线损耗对应短路状态增加，高于5匝短路时，最大股线损耗远超过了Robel360°最大股线损耗；

(6) 在槽顶或槽底对应股线位置发生匝间短路，此时短路故障通常比较严重；

(7) 对不同短路，最大股线损耗对应短路状态的线棒总损耗不一定最大，这与整个线棒此时所处磁场变化有关，而股线电势差引起各股线电流分布变化有的会增大、有的会减小。