AP1000突然短路分析计算

盛 杉，李桂芬，李明哲，胡 刚，于 涛

(哈尔滨大电机研究所，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

AP1000核电半速汽轮发电机正处于引进、消化、吸收阶段。在AP1000的引进技术过程中，并没有转让大型核电半速机组各种故障动态过程的仿真研究方法，而这又是我们急待解决的问题。机网动态过程中电力系统对发电机的作用以及发电机对电力系统的影响一直以来就是倍受关注的问题之一。汽轮发电机组，其轴系相对水轮发电机较细长，机网动态问题更为突出。为此，本文主要利用SIMSEN软件开发出大型核电半速汽轮发电机组各种故障动态过程的仿真方法，并建立起系统仿真模型，对机组在电力系统动态运行过程中的运行性能进行深入的研究和分析，以满足电力部门及用户的迫切需要。

突然短路是电机的一种重要瞬变现象，该现象主要特征如下:绕组中会出现很大的冲击电流，其数值可以达到额定值的十倍以上;该冲击电流还可能导致电机绕组端部受到强大的冲击电磁力的作用;另外突然短路过程中，电磁转矩也会增大数倍，电机可能因此发生振动，其结构部件出现很高的机械应力;定、转子绕组出现过电压现象等[1]。所以准确地计算发电机在各种突然短路故障时的定子电流及电磁转矩将为设计、工艺部门提供重要依据。

1 物理模型

系统中各元件的数学模型是研究机网动态过程的重要部分。在机网动态过程研究中，一般会采用时域仿真法，其数学模型有以下几种:第一种为解析公式法，主要是采用简化处理的解析公式求解。这种方法简单、易懂且节约时间，但由于对问题本身作了很多的简化和假设，同时无法考虑到动态过程中转速的变化、输变电系统参数及饱和等影响，导致计算结果精度不高;另一种则是采用PARK方程模型[2]，轴系采用多质量块弹簧系统模型，变压器及传输线均采用电磁暂态数学模型[3]，进行数值分析计算。这种PARK方程法与解析公式法相比，有了很大进步。该方法可以考虑动态过程中转速变化及输变电系统参数及饱和因素的影响。故本文采用上述第二种方法建立系统仿真模型。

图1为机网等效系统结构简图。发电机侧包括同步发电机、励磁调节模块、机械轴系，电网侧包括主变压器、输变电线路及无穷大系统。[4]

图1 机网等效系统结构图

2 数学模型

如图2所示，以发电机为例，规定电流的输出方向为正方向，电压及电动势的正方向与电流的正方向相同。图中和dq为直、交轴，f为励磁绕组，Kd和Kq分别为直、交轴阻尼绕组。ω为转子逆时针旋转角速度，θ为d轴与A相轴线之间的电角度。

图2 同步发电机电流与电压的方向

在dq0坐标系统中同步发电机的电压表达式为:

公式(11)中，Te为电磁转矩;J为转动惯量;RΩ为旋转阻力系数[5];Ω为机械旋转角速度。

3 仿真计算

3.1 仿真模型

本文建立了单机无穷大电网仿真模型。图3为AP1000的仿真模型。模型中VS1为无穷大电网，LN1为输变电路线路阻抗，T1为主变压器，SM1为同步发电机，VS2为励磁电源，CB1、CB2及CB3为开关，GRND1和GRND2为接地模块，VREG为励磁调节系统，W1～W10为轴系质量块。

3.2 仿真结果

发电机的基本额定数据如下:

额定容量1407 MW，额定电压24 kV，功率因数0.9，额定电流33847 A，极对数2。

图3 AP1000核电半速汽轮发电机仿真模型

本节对AP1000汽轮发电机空载及额定负载两种工况的机端各种突然短路故障进行仿真研究，包括三相突然短路、两相突然短路及单相对中性点突然短路。其中，空载工况的初始条件为发电机空载以额定转速、额定电压及空载励磁稳定运行，0.1 s时机端设置突然短路故障;额定负载工况的初始条件为发电机带额定负载以额定转速、额定电压及额定负载励磁稳定运行，0.2 s时机端设置突然短路故障。通过仿真计算分别给出了定子电流及电磁转矩最大值，见表1。图4、图5、图6分别为空载三相突然短路定子电流、励磁电流和电磁转矩随时间变化曲线。图7、图8、图9分别为负载三相突然短路定子电流、励磁电流和电磁转矩随时间变化曲线。

表1 电流及电磁转矩最大值(标幺值)

图4 空载三相短路定子电流

4 结语

从图4～图9看，AP1000汽轮发电机发生突然短路故障后定子电流和电磁转矩分别以数倍相应额定值在正负之间交变，并逐渐衰减，这会对电机绝缘及一些结构件造成很不利的影响。

进一步分析表1的计算结果发现，AP1000汽轮发电机额定负载比空载机端各种突然短路故障要严重。从电磁转矩看两相短路最严重，额定负载机端两相短路时达到了5.19 p.u.，单相对中性点故障，也达到了 3.08 p.u.，三相故障，最大值为4.16 p.u.而从定子电流分析则表明，单相对中性点故障最严重，为 12.05 p.u.，其次是三相故障，也达到了9.44 p.u.，然后是两相故障，最大值为 8.40 p.u.。

[1]白延年.水轮发电机设计与计算[M].北京:机械工业出版社，1982:115－120.

[2]汤蕴璆.交流电机动态分析[M].北京:机械工业出版社，2004:174－183.

[3]倪以信.动态电力系统的理论和分析[M].北京:清华大学出版社，2002.

[4]李桂芬.基于SIMSEN软件的水轮发电机瞬态运行方式的仿真研究[J].大电机技术，2003(7):5－9.

[5]陈文纯.电机瞬变过程[M].北京:机械工业出版社，1982:50－77.