[發明專利]一種同步調相機定子繞組匝間短路的有限元仿真方法

在審

• 申請號: 202011502733.7
• 申請日: 2020-12-17
• 公開（公告）號: CN112528545A
• 公開（公告）日: 2021-03-19
• 發明（設計）人: 劉一丹;趙學華;蔣夢瑤;馬宏忠;陳軒;陳湞斐;李呈營;張玉良
• 申請（專利權）人: 國網江蘇省電力有限公司檢修分公司;河海大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23
• 代理公司: 北京智繪未來專利代理事務所(普通合伙) 11689
• 代理人: 肖繼軍

一種同步調相機定子繞組匝間短路的有限元仿真方法，建立同步調相機二維有限元簡化模型，實現調相機工作狀態的調節以及定子繞組匝間短路的故障設置。通過等效面積折算法簡化同步調相機本體模型，在保證仿真精度的同時提高了仿真效率；利用外電路模型實現同步調相機模型運行于調相狀態；利用所建立的調相機場路耦合模型進行定子繞組匝間短路故障仿真，為同步調相機的故障診斷提供參考。

技術領域

本發明屬于電機有限元仿真技術領域，更具體地，涉及一種同步調相機定子繞組匝間短路的有限元仿真方法。

背景技術

近些年來，隨著特高壓直流輸電的快速發展，電網的“強直弱交”特性突出，尤其對直流多饋入受端電網，存在多回路直流換相失敗、動態無功儲備與電壓支撐不足等問題，因此大型同步調相機作為一種優良的動態無功補償裝置在電網中得以推廣應用。同步調相機能夠有效地應對高壓直流和新能源接入電網帶來的無功調節問題，對提高直流輸送極限功率，提高高壓直流輸電線路受端交流電網短路比，增強電網靈活性和穩定性有著獨特的優勢。

作為大型旋轉設備，調相機結構復雜，定子繞組容易造成匝間絕緣損壞，引發定子繞組匝間短路故障。短路故障往往伴隨著大電流，可能使電機過熱、燒損，對系統產生巨大的危害。因此，研究大型同步調相機定子繞組匝間短路故障，對實現故障的在線識別，維護電網的安全穩定運行有著重要意義。

采用有限元仿真分析方法對電機內的電磁場進行數值計算，得到電機內的電磁場的準確分布，并在此基礎上求取定子匝間短路故障后的運行特性，對于調相機的故障診斷來說是一種行之有效的研究方法。

發明內容

為解決現有技術中存在的不足，本發明的目的在于，提供一種同步調相機定子繞組匝間短路的有限元仿真方法，建立同步調相機二維有限元簡化模型，實現調相機工作狀態的調節以及定子繞組匝間短路的故障設置。通過等效面積折算法簡化同步調相機本體模型，在保證仿真精度的同時提高了仿真效率；利用外電路模型實現同步調相機模型運行于調相狀態；利用所建立的調相機場路耦合模型進行定子繞組匝間短路故障仿真，為同步調相機的故障診斷提供參考。

本發明采用如下的技術方案。

同步調相機定子繞組匝間短路的有限元仿真方法的步驟如下：

步驟1，采集同步調相機的運行參數、結構數據、材料數據；

步驟2，基于同步調相機的結構數據、材料數據，利用等效面積折算法分別將定子繞組線圈中的多個導體折算為一個定子繞組線圈導體、將轉子繞組線圈中的多個導體折算為一個轉子繞組線圈導體，搭建同步調相機的二維有限元模型，并確定二維有限元模型的材料屬性、邊界條件、仿真區域和轉子的運動區域；

步驟3，對二維有限元模型進行網格劃分，并設置求解器參數；

步驟4，搭建同步調相機的定子外電路模型和轉子外電路模型，實現三相繞組連接于三相電源上模擬同步調相機的并網運行，通過調節勵磁電流實現同步調相機的二維有限元模型運行于調相機狀態；

步驟5，對于定子部分外電路模型，將故障相上故障支路的繞組模型分為健康繞組模型和短路繞組模型，并且該短路繞組模型先與過渡電阻模型并聯后，再與健康繞組模型、繞組電阻模型串聯；

步驟6，基于有限元仿真法，計算不同故障位置下同步調相機定子繞組匝間不同故障程度的短路電流。

優選地，

在步驟1中，

運行參數包括：額定電壓、額定電流、額定勵磁電流、額定容量、最大進相能力、轉速和損耗；

結構數據包括：定子支路數、定子槽數、轉子槽數、定子鐵芯外徑、定子鐵芯內徑、定子鐵芯長度、氣隙、轉子槽數、轉子外徑、轉子每槽匝數和定子每槽匝數；

材料數據包括：轉子鐵芯和定子鐵芯的磁導率、電導率、導熱系數、比熱容。