（电机与电器专业论文）大型发电机雷电过电压的在线分析研究.pdf

作翔等优点。用这种方法可以准确的取得n s 级的雷电过电压信弩，确保了用计 算机模型计算绕组f g n 分布的准确性。 3 、建立了发奄机绕组豹多导体传输线模型，对发电机送行了线圈分丰斥， 给出了发电机单线醐、单相绕组、三相绕组以及大型发电机的多导体传输线模 型。提出采月按时间抽取的快速傅立时变换处理复杂激励源的方法，将程发电 机出线端测得的雷电过电压信号分解为若干谐波信号，分别作为上述多导体传 输线模型的激励源来计算发电机绕组匝电压，再通过时域上的叠加，得到发电 机定予绕组实际的匝电压。 4 、用m a t l a b 仿真软件对雷电冲击全波、波尾截断雷电冲击波和波前截 断雷电冲毒波进行了仿寞，羽快速傅立叶变换f f t 将其分解为多次谐波，并采 用幅值阀值法提取出幅值较大的谐波。以5 4 0 槽三峡发电机为例。运用多导体 传臻线模型计算出芟定子绕组的雷宅冲击全波过电压，给出了仿真结果，验证 了这个理论的正确憔、可行性和优越性。 本文提出的大型发电机雷电过电压在线黢测分析方法，采用实时性较好的 信号测量方法，将多导体传输线理论与快速傅立叶变换相结合进行信号处理和 计算，具有一定的现实意义。 关键词：大型发电机臀电过电压实时髓测快速傅立时变换多导体 传输线理论绕组绝缘 s t u d y o fr e a l t i m e a n a l y z i n g f o r l a r g eg e n e r a t o r s u n d e r l i g h t n i n go v e r v o l t a g e m a j o r i ne l e c t r i c a l e n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：y u e j i a om a a d v i s o r ：n i a nl i u l a r g eg e n e r a t o ru n i ti st h em a j o re q u i p m e n ti nl a r g e rp o w e rs t a t i o n ，a n da l s o t h eh e a r to fp o w e rs y s t e m t h eg r o w i n gd e m a n do fe l e c t r i c a l e n e r g yi nm o d e m s o c i e t ya n dt h er a p i dd e v e l o p m e n to fp o w e ri n d u s t r yh a v er e s u l t e di n ah i g h e r r e q u i s i t i o nf o rt h e s a f e g e n e r a t i n go p e r a t i o no fg e n e r a t o ru n i t s i n t h ef r o n to f g e n e r a t o r sh a v es o m ep r o t e c t i v ea t t e s t e r , b u tt h ed a m a g eo fg e n e r a t o r sm a d eb y l i g h t n i n gc a n tb ei g n o r e d p a r t i c u l a r l y , t h ep r o b l e ma b o u tl i g h t n i n gs u r g eo fl a r g e g e n e r a t o ri nh i g hv o l t a g ep o w e rl i n e ，w h i c hm a y l e a dt os e r i o u si n s u l m i v ea c c i d e n t f i n a l l y s i m u l t a n e o u s l y , i fg e n e r a t o r si n s u l a t i o ni sd a m a g e d ，i tw i l lc o s tv e r yl o n g t i m et o r e p a i ro rr e p l a c e ，w h i c hw i l lb r i n ga b o u tg r e a ti n f l u e n c e t h e r e f o r e ，t h e s t u d yo fr e a l t i m ea n a l y z i n gf o rl a r g eg e n e r a t o r su n d e rl i g h t n i n go v e r v o l t a g eh a s v e r yi m p o r t a n tp r a c t i c a lm e a n i n g st os a f eg e n e r a t i n go p e r a t i o no f p o w e rs y s t e m s b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no fa n a l y s i sm e t h o d sf o re l e c t r i cm a c h i n e sl i g h t n i n g o v e r v o l t a g e a n di t sr e s e a r c hs t a t u sa th o m ea n da b r o a d ，t h i sp a p e rh a sm a d e t h e o r e t i c a l a n a l y s i so nl i g h t n i n go v e r v o l t a g e ，r e s e a r c h e da nl i g h t n i n go v e r v o l t a g e o n - l i n e m o n i t o r i n gm e t h o do fl a r g eg e n e r a t o ra n dp r e s e n t e d t h em e t h o dw h i c h c o m b i n e sf a s tf o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n ( f f t ) w i t hm u l t i c o n d u c t o rt r a n s m i s s i o nl i n e m o d e lt oc a l c u l a t ev o l t a g ed i s t r i b u t i o ni ns t a t o rw i n d i n g so f l a r g e g e n e r a t o r f o rt h i ss u b j e c t ，t h em a i nc o n t e n t sa r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： 1 、m a k et h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no nl i g h t n i n go v e r v o l t a g e e x p o u n d t h e g e n e r a t i o n ，f o r m a t i o n a n d p a r a m e t e r s o f l i g h t n i n go v e r v o l t a g e i r e s p e c t i v e l yd i s c u s sl i g h t n i n go v e r v o l t a g eo ft r a n s m i s s i o nl i n e ，e l e c t r i cs u b s t a t i o n a n dp o w e rs t a t i o n c a l c u l a t e l i g h t n i n go v e r v o l t a g eo fg e n e r a t o ra n dt h ea n a l y z e i n s u l a t i o nf a u l t 2 、r e s e a r c har e a l - t i m el i g h t n i n g o v e r v o l t a g em o n i t o r i n gm e t h o do f g e n e r a t o r , w h i c hu s e dl i n b 0 3a ss e n s i n ge l e m e n t ，t h u si th a sm a n y a d v a n t a g e s ，s u c ha sn i c e t r a n s i e n tf i m c t i o n ，r a p i dr e s p o n d ，w i d ef f e q u e n c y ，s i m p l es t r u c t u r e ，g o o di n s u l a t i o n , e l e c t r i ci s o l a t i o n ，n oe l e c t r o m a g n e t i cf i e l di n t e r f e r e n c e ，a n ds oo n t h i sm e t h o dc a l l a c c u r a t e l yg e tl i g h t n i n go v e r v o l t a g es i g n a li na sg r a d e ，w h i c he n s u r e st h ea c c u r a c y o f u s i n gc o m p u t e r m o d e lt oc a l c u l a t e v o l t a g e d i s t r i b u t i o ni nw i n d i n g s 3 、b u i l dt h em o d e lo fm u l t i c o n d u c t o rt r a n s m i s s i o nl i n eo f g e n e r a t o rw i n d i n g s a n d a n a l y z eg e n e r a t o rw i n d i n g s g i v et h eg e n e r a t o rs i n g l ec o i l 、s i n g l ep h a s e 、t h r e e p h a s ew i n d i n gm o d e l sa n dm u l t i e o n d u c t o rt r a n s m i s s i o nl i n em o d e l p r o p o s et h e m e t h o dt h a td i tt od e a lw i t hc o m p l e xe x c i t a t i o n t h e n d e c o m p o s el i g h t n i n g o v e r v o l t a g es i g n a lt oan u m b e ro f h a r m o n i cw a v e sa n dp u tt h e s eh a r m o n i cw a v e s i n t ot h em u l t i c o n d u c t o rt r a n s m i s s i o nl i n em o d e l r e s p e c t i v e l yt oc a l c u l a t ev o l t a g e si n t h ew i n d i n g sa n dt h e na d d e dt h e s er e s p o n s eo ft h eh a r m o n i cw a v e si nt i m ed o m a i n , t h er e a lv o l t a g e so f s t a t o rw i n d i n gi so b t a i n e d 4 、u s em a t l a bs o f t w a r et os i m u l a t ea l ll i g h t n i n gw a v e 、l i g h t n i n gw a v ec u t o f fi nt a i la n dl i g h t n i n gw a v ec u to f fi nt h eh e a d f i r s t l y , f f td e c o m p o s et h e s e w a v e si n t om u l t i p l eh a r m o n i cw a v e s ；t h e na c c o r d i n gt ot h ea m p l i t u d et ot a k eo u to f l a r g e rh a r m o n i cw a v e f o rt h eg e n e r a t o rw i m5 4 0 s l o t so ft h ey a n g t z eg o r g e s e x a m p l e ，u s e t h em u l t i c o n d u c t o rt r a n s m i s s i o nl i n em o d e lt oc a l c u l a t ea l lw a v e l i g h t n i n go v e r v o l t a g ei nt h es t a t o rw i n d i n g sa n dg i v et h es i m u l a t i o nr e s u l t , w h i c h v e r i f i e dt h ea c c u r a c y , f e a s i b i l i t ya n d a d v a n t a g eo f t h i st h e o r y n l i sp a p e rp r o p o s e dt h em e t h o do f l i g h t n i n go v e r v o l t a g er e a l - t i m em o n i t o r i n g o f g e n e r a t o r s ，w h i c hh a sc o m b i n e dt h em u l t i c o n d u c t o rt r a n s m i s s i o nl i n et h e o r ya n d f f ti th a sc e r t a i nm e a n i n g si np r a c t i c e s k e y w o r d s ：l a r g eg e n e r a t o rl i g h t n i n go v e r v o l t a g e r e a l - t i m em o n i t o r i n g f a s tf o u r i e r t r a n s f o r m a f i o n ( f f t 、t h e o r yo fm u l t i c o n d u c t o rt r a n s m i s s i o nl i n e w i n d i n g i n s u l a l ：i o n 四j i l 大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 研究目的和意义 现代社会日益剧增的电能需求促使电力系统进入了一个大机组、大电网和 超高压的时代，电网结构日趋复杂化。同时，电力工业的迅速发展也促使越来 越多的大容量或超大容量的发电机组投入电网中运行，它们已经成为电力能源 的心脏。从电力系统安全生产和国民经济发展的客观要求出发，对大型发电机 的安全运行提出了更高的要求。 近年来，雷害事故不断发生，对发电机绝缘安全造成了很大的威胁。大型 发电机的绝缘安全可靠与否，不仅影响发电机组的安全运行，而且直接影响着 电力系统对国民经济的安全供电。我国的电力工业正处在超高压大电网的发展 阶段，针对雷电过电压对大型发电机的冲击问题，重点开展大型发电机绕组电 压在线分析的研究是十分紧迫和有意义的 1 - 3 1 。 开展大型发电机的绝缘安全分析理论和方法以及在线监测技术的研究，不 仅与发电厂的经济效益密切相关，而且迎合了目前我国大力发展大型水电站的 趋势。我国地域辽阔，西部水能资源极为丰富，大力开发水能资源是我国电力 工业发展的主攻方向。我国先后建成了葛洲坝、龙羊峡、二滩、漫湾等大型水 电站，特别是目前正在建设的三峡工程，是当今国际上最大的水利枢纽工程， 举世瞩目。到2 0 1 0 年左右，以三峡水电站为首的一批大型和特大型水电站的建 成将促使全国超高压互联电网的形成。 在2 0 0 3 年8 月至9 月短短两个月的时间罩，国际上相继发生了8 1 4 美加 大停电，8 2 8 伦敦大停电，9 i 悉尼和马来西亚大停电，9 2 8 意大利大停电等 大型停电事件。这些停电事件再一次说明，随着电力系统容量和规模的增大， 发生发电厂全厂停电，多条高压输电线同时停运的可能性是存在的，而造成发 电厂停电的最可能的原因就是大型发电机的绝缘问题【4 】。 虽然发电机线路不直接遭受雷击，但仍有雷电过电压从升压变压器高压侧 传播进入发电机电路内的危险。高压输电系统特别容易遭受雷击，雷击可直接 发生在输电线上或高压输电系统的杆塔顶部，造成至输电线的沿面闪络。从而 过电压经过输电线进入高压变电站，传播到变压器的低压侧，并且作用于高压 设备的绝缘上。当雷电电波传导至发电机上时，波的陡度直接威胁到匝间绝缘， 四川大学硕士学位论文 尤其是头几匝。波越陡，头几匝间所承受的电压越大，匝间绝缘越易受到破坏。 雷电波的幅值大小则威胁着发电机的主绝缘。雷电波的幅值越大，导线与铁心 问的电压就越高，绝缘就越易被击穿1 5 】。虽然一般大型发电机对雷电过电压都 采取了避雷器等限制措施，经过避雷器限制的这类快速暂态过电压现在还未对 大型发电机造成严重的击穿事故，但无数次的冲击以及其他过电压造成的冲击 会对大型发电机组的绝缘安全形成破坏性的累积效应，使发电机绝缘安全存在 潜在的危险。 分析电机绕组绝缘最直接的方法就是清楚她知道电机绕组的电压分布，以 及绕组某些节点上的电压随时问的变化关系，这样就可以对绕组绝缘强度，绕 组绝缘的薄弱点等进行判断，以给出相应的应对措施。另外，由于大型发电机 内部结构很复杂，要想对其绕组绝缘进行诊断就必须要有精度较高的在线测量 方法，只有保证第一步在线测量的准确性和实时性，才能确保后续信号处理和 分析的精度。因此，研究大型发电机绕组绝缘诊断，着眼于其绕组电压分布状 况和冲击电压的在线测量具有一定的现实意义i ”】。 1 2 国内外研究动态 在现代电力系统中，旋转电机随时都可能受到来自电网中的各种暂态电压 的冲击，使定子绕组的匝间绝缘和主绝缘遭受到高强度的电气损伤，并逐步削 弱其绝缘水平，最终导致定子绕组绝缘事故。引起这类恶性事故的绝缘故障经 常表现为绝缘介质被击穿，造成定子绕组对地或相间短路。国内外大型旋转电 机定子绝缘事故时有发生，严重影响国民经济生产，造成巨大的经济损失p “o j 。 针对我国大中型水轮发电机普遍出现的绝缘故障问题，啥尔滨大电机研究 所历经四年时间，对国内9 6 台水轮发电机的绝缘事故进行调查分析。调查统计 表明：水轮发电机定子绕组绝缘故障占总故障的3 0 以上，其中定予绕棒击穿 率约占8 0 【8 1 。因此，定子绕组绝缘故障已经成为高压大容量旋转电机的主要 故障之一。其中，大型发电机的局部放电是加速定子绝缘介质劣化过程的主要 原因，而过电压导致的强电场作用则是加重局部放电和最终导致定子主绝缘事 故的根本原斟i l 】。电机内部局部放电主要包括绕组绝缘内部放电、端部放电和 槽部放电三种，它们与定予绕组的绝缘状态密切相关【l “。在南美过去的2 0 年 中，分析了3 0 ，0 0 0 以上的定子绕组局部放电实验结果。用局放和电气干扰完全 i ! ! | 川大学硕士学位论文 分离的系统来收集数据，数据库分析表明不同的电动机和发电机运行条件( 如 电压、负载、绕组温度和空气湿度) 对结果有很大的影响。定子绕组的电压等 级、冷却介质( 空气混合高浓度氢) 以及局放检测系统等量所受影响很大；绕 组老化和绝缘系统类型等量在局放预计范围内受到的影响很小，至少是结果的 均方差【l 。在线局放测试很早就已经用来估计电动机和发电机定子绕组的高压 绝缘状况。以前的研究表明电动机和发电机的运行参数，例如电压、输出功率、 气压和定子绕组温度都会对局放等级造成重要的影响，因此必须控制获得局放 随时问变化活动趋势信息中有用的信息。在过去的许多年中，收集的结果表明 湿度可能同样是需要监测的因素【14 1 。由于大型水轮发电机在运行过程中，定子 绝缘介质长期受到电、热、机械应力及环境影响，使其绝缘介质中的薄弱环节 在局部强电场的作用下发生局部放电现象越来越严重，最终导致发电机绝缘击 穿。 在实际工程中，高压旋转电机定子绕组一方面长期处于工作电压的强电场 中，另一方面却又会遭受雷击等快速暂态过电压的超强电场瞬态冲击作用。这 类暂态过电压不仅会加剧发电机内部局部放电和介质绝缘的劣化过程，而且会 引起定子绕组电压分布不均，从而进一步诱发定子绕组绝缘介质的局部放电， 当部分绕组上的电压超过其绝缘承受能力时，必将造成发电机定子绝缘击穿事 故。雷电过电压对旋转电机绝缘安全造成的危害一直都受到人们的重视，长期 以来国内外都在积极开展旋转电机暂态过电压的分析、计算和监测方面的研究 工作。 在旋转电机快速暂态过电压( v e r y f a s tt r a n s i e n to v e r v o l t a g e ) 研究方面， 首先引起国外学者关注的，就是雷电冲击( l i g h t n i n gs u r g e ) 给连接在电网上 的旋转电机造成的危害问题。从1 9 3 0 年开始，国际上重点就雷电过电压在旋转 电机定予绕组内的分布问题和旋转电机防雷电过电压等问题展开了研究【l 扣。 直至5 0 年代末期，该问题的研究对象侧重在发电机方面，其中与汽轮发电机相 关的研究报告较多i ”。j 。 由于旋转电机定子绕组结构复杂，实验测量绕组各点上的冲击电压波形较 其他输变电设备更为困难，英国学者b c r o b i n s o n 针对大型汽轮发电机定子线 棒冲击电压测量问题，首次提出了一种无损伤检测方法口2 1 。该方法只需在被测 点线棒臂上粘贴金属锡薄片，使线棒导体与金属薄片和大地之间形成电容分压 四川大学硕士学位论文 器，即可用示波器成功地测得绕组上的冲击电压波形。同时，b c r o b i n s o n 基 于文献 1 8 、【1 9 提出的采用输电线路暂态等值电路处理旋转电机定子绕组波过 程的思想，首次考虑了发电机定子线圈互感的相互作用，对一系列不同定子绕 组结构的汽轮发电机的波过程进行了研究 2 3 - 2 5 】。文献【2 3 】给出了一相单支路绕 组的汽轮发电机定子绕组暂态过电压的等值电路模型( l m c ) ，推导出绕组的 波动方程数学模型( e q u a t i o n s f o r t r a v e l l i n g w a v e s i n w i n d i n g s ) ，并采用文献 2 2 1 的测量方法，测量了一台汽轮发电机在雷电实验冲击波作用时各相绕组电压的 波形。同时，还指出升压变压器对发电机具有一定的保护作用，发电机定予绕 组中性点接地也可起到一定的保护作用。但是最有效的方式是采用浪涌避雷器 和阻容浪涌吸波器来保护汽轮发电机。文献【2 4 】研究了一相双支路绕组的大型 汽轮发电机雷电冲击电压分布问题，实验测量了一台2 极、l l k v 、5 0 m w 汽轮 发电机定子冲击电压波形，并指出发电机的输出电缆对发电机几乎不起保护作 用。文献【2 6 】在文献 1 7 】的基础上把火力发电厂中的发电机和升压变压器作为一 体，研究了输电线路上的雷电冲击经升压变压器传递的传递过电压主要由电磁 感应所引起，并介绍了三种计算传递过电压的计算方法，得出了与文献【1 7 】相 同的结论：经升压变压器向电网供电的大型发电机，由于升压变压器具有一定 的保护作用，雷电冲击波经过升压变压器时其幅值和陡度均有所下降，但是由 升压变压器高压侧传递到低压侧的冲击电压仍然将给发电设备造成不可忽视的 危害。值得注意的是，目前国内外仍然继续在雷电过电压对发电机的冲击问题 上进行研究，文献【3 0 】和【3 1 】对输电线路上雷电冲击通过升压变压器传递的过电 压进行研究，并给出了简化的发电机等值电路，而且文献f 3 2 】采用e m t p 程序， 对在雷电实验冲击波作用下的一台6 0 m w 的汽轮发电机定子绕组过电压波形 进行了仿真分析。发电机的稳定运行与电能质量密切相关。文献 3 3 】讲述了雷 电过电压对发电设备的破坏性影响。永久性电子监控设备为确定发电机损坏原 因提供扰动数据。这个信息可以看到接地故障、瞬间换相电流和相振荡电流或 电压。文献【3 4 】利用多导体传输线原理，建立大型汽轮发电机定子绕组的脉冲 传播模型，模型参数是基于似稳电磁场的有限元数值计算方法，根据电容、电 感、电导、阻抗、传播速度间的关系求得。详细描述了单根线棒、单相绕组及 考虑相间耦合的绕组仿真模型。并将仿真计算结果与2 0 0 m w 汽轮发电机实验 结果进行了比较，证实了模型的可靠性。文献【3 5 】提出雷击是影响风力发电场 凹川大学硕士学位论文 运行安全的主要因素之一。在雷击过程中，雷电流沿塔筒注入风电场接地网， 将会引起接地网的地电位升高，这些暂态过电压将对风力发电机组及其输变电 设备的正常运行造成影响。并通过建立相关的风电场接地网模型，对雷电过电 压进行了计算分析。另外，就风力发电厂的雷电过电压研究方面，国外许多学 者也作了很多工作，用计算机模型估计合适的风力发电厂接地系统阻抗，对系 统故障和雷电冲击进行保护。采用通用e m t p 程序和专家接地系统软件及 c d e g s ( 电流分布c u r r e n t d i s t r i b u t i o n ，电磁场e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d s ，接地土 壤分析g r o u n d i n ga n ds o i l s t r u c t u r ea n a l y s i s ) 来设计实际接地系统的暂态特性 【3 6 】。雷击保护需要对接地系统动态特性进行估计，计算风力发电机接地系统雷 电响应【3 7 。3 引。用e m t p 程序研究土壤电离作用对风力发电机接地的影响【3 9 】。建 立了雷击绝缘故障率估计的方法，并将其应用到西班牙三个风力电厂，这种方 法需要雷电流分布、绝缘几何结构等数据支持【4 0 】。雷电放电的接地特性与接地 的电极几何尺寸、形状及土壤性质有关j 。文献 4 2 1 利用小波变换计算雷电冲 击电压的时频特性，标准冲击电压、斩波和波形改变用计算机程序实现。文献 4 3 给出了一种雷电冲击测试结果概率分析软件。 欧美国家在旋转电机遭受雷电过电压的研究主要集中在旋转电机绕组过电 压波形分析、实验测量和保护方面。这些研究工作对保护发电设备免遭雷击等 方面起到了积极作用，并取得了突破性成果。 随着计算机监测技术的进步，雷电定位系统得到了很好的发展，应用雷电 定位监测信息系统，就能够科学地显示电力线路受雷击的情况，统计雷电的分 布，方便地查询雷击故障点，指导检修人员迅速定位故障点进行修复。同时， 也为电网建设提供了雷电活动的参考数据 4 4 1 。到1 9 9 9 年底，广东省雷电定位 系统是一个由1 4 个定向定位和时差定位综合探测站、1 个中央处理机和2 3 个 雷电信息分析显示终端构成、覆盖全省的雷电实时监测系统。估算其探测效率 在8 5 以上，平均定位精度约为o 3 2 k m 【4 5j 。文献【4 6 】还提出利用a s p + j a v a + 数据库技术构建了雷电信息网站，以b s ( 浏览器服务器) 方式实现雷电定位 数据的图形化共享。使用户可通过浏览器访问网站来应用雷电数据，实时显示 雷电趋势及查询线路雷击故障杆塔。文献 4 7 1 还给出了利用综合系统的雷电定 位系统数据进行电能质量监测的研究，其中发电机电压是电能质量监测中的一 个重要指标。利用雷电定位系统数据库的信息，可以预测大型发电机雷电过电 嚣矧太学醭士擘往论文 服采集时间，及时地在大型发电机出线端的测取雷电过电压信号，以保证其实 时性和暂态性。 蓑转邀撬嚣邀过电莲麴磺宠是遗力系绞警态遘电纛疆究工终孛鹣邦分。 瞄前，电力系统暂态过电胍研究主要采用计算机模拟技术、计算机数值仿真技 术和现场实测技术对暂态道电压波形进行研究。暂态网络分析仪( t n a ) 是研 究系统内邦过魄蕴静一种鸯效工具，瑰代t n a 采瘸计算枫进行元彳擎参数和网 络结构调控，并焉数字式示渡器跟踪实簸波形。在理论上，建立罄态过电压的 计算方法，建立既能描述集中参数和分布参数，又能难确反映其假随频率变化 冉句数学模型。暂态电压的计算方法主要题基于波动方程，利用行波法求解，如 阏赣法帮霓杰怒法( b e r g e r o n ) 。箍着谤簿瓿援拳豹发袋，1 9 年热塞大哥埝跑 溉大学h w d o m m e l 教授计算了有损线路上的波过稷，完成了采用服杰龙方法 的b p a 通用电磁暂态分析程序( e m t p ) ，并形成了贝杰龙一道米尔法 ( b e r g e r o n - d o m m e lm e t h o d ) 梆t 。曩羲溺舔逶矮豹毫磁誓态分析瑕净e m t p 原 黧是由h 。w d o m m e l 教授创立的l 甥，经过几十年的完藩和模型更新毫成为研究 电力系统暂态过程的重要工具之一，在国际上得到广泛的应用。除此之外，还 霄采用与其相似的网络拓扑与状态变量法进行计算【5 0 - 5 甜。同时，对于电力系统 甏态过毫嚣礤究，实溺按零爨菲鬻重要熬，宅毒浚蠢接验涯t n a 秘e m t p 楚 凇确性。因此，电力系统快速暂态过电压测量方法也是人们关注的研究方向 5 3 - 5 4 。新的绝缘技术已经提出了直接在保护设备中，提高整体过电压限制能力 浆可戆性。搦这样豹技术琴双獭底迪减少绝缘嚣求，辩 豪费惩，鼹薅将来系统 的性能【5 5 】。 综上所述，国内外旋转电机快速暂态过电压的研究虽然取得了不少成果， 但是对于目翦商压电力系统雷电过电压对大型发电枫绝缘安全问题的研究还存 农一些不是： 大型发电机雷电过电腿研究是以离线仿真计算为主，尚未有关通过实测发 电机机端雷电冲击波，进彳予发电机绕组内部过电压在线分析的报道；雷电过电 藤净蠢波穆类繁多、波形玻复杂、鹜态谯强，壹接诗舞魄较嚣难，一簸垮辖近 似，计算结莱误差较大。现在尚未有关予雷电过电愿信号处理较好的方案。 文献【5 6 】、 5 7 对电力设备绝缘检测与诊断的研究进行了较为套面的阐述， 般来说，现代大型发电枧均采用先进的绝缘材料和绝缘技术1 5 8 - 6 0 1 ，但由于其 6 四川大学硕士学位论文 容量大、电压等级高，电磁负荷强，其定子绝缘相对于电力变压器等输变电设 备更为脆弱【6 “2 1 ，特别是对于冲击力极强的雷电过电压，通过升压变压器传递 作用，随时威胁着大型发电机的绝缘安剑6 3 - 6 8 。因此，深入研究雷电过电压作 用下大型发电机的绝缘安全，着眼于大型发电机定子绕组电压的在线分析研究， 对大型发电机的预防性保护具有一定的现实意义。 1 3 研究内容与主要工作 纵观目前国内外在发电机雷电过电压方面的研究，对于雷电过电压对发电 机的冲击，已经有了很多研究成果。但由于雷电过电压的快速性、暂态性和峰 值大等特点，在其实时测量和信号处理方面仍然没有十分完善的解决方法。针 对大型发电机的特点，研究准确测量雷电过电压的方法，并利用快速傅立叶变 换f f t 对其信号进行谐波分解处理是解决这一问题的有效方法之一。 实现雷电过电压在线分析的关键是采用先进的传感技术和现代数字信号 处理技术。近年来，传感技术、信号处理技术和计算机技术飞速发展，为大型 发电机雷电过电压的在线监测分析提供了物质条件。本文在分析和总结国内外 旋转电机的过电压分析方法及其研究现状的基础上，针对典型的快速暂态过电 压雷电过电压的在线测量、信号处理和大型发电机内部绕组电压分布计算 分析作了些研究。进行了雷电过电压理论分析，研究了大型发电机雷电过电 压在线监测方法，提出了用快速傅立叶变换f f t 与多导体传输线模型相结合， 计算大型发电机绕组电压分布的方法。 本文的研究内容及主要工作有以面几个方面： 1 、查阅了国内外有关旋转电机快速暂态过电压的相关文献和书籍，对大 型发电机雷电过电压的研究意义、国内外的研究状况和发展趋势进行了阐述。 2 、对雷电过电压进行了详细的理论分析和计算。阐述了雷电过电压的产 生、形成及雷电参数的计算：分别对输电线路、变电站和发电厂的雷电过电压 进行了讨论，针对可能造成发电机雷害的过电压进行了分析计算，并根据具体 情况对发电机绝缘损伤进行了分析。 3 、由于大型发电机雷电过电压的分析计算研究是基于发电厂实时监测的 现场数据，因此必需保证现场的监测系统具有较好的实时性和可靠性。本文研 究了一种大型发电机雷电过电压在线测量方法，此方法选用了l i n b 0 3 无源光 7 四川大学硕士学位论文 纤电压传感器作为测量的传感元件，具有暂态性能好、响应速度快、不受外界 电磁场干扰、频带宽、结构简单、造价低、绝缘性能优良、有电隔离的作用等 优点。用这种方法可以准确的测取n s 级的雷电过电压信号，确保了用计算机模 型计算绕组电压分布的准确性。 4 、建立了发电机绕组的多导体传输线模型，对发电机进行了线圈分析， 给出了发电机单线圈、单相绕组、三相绕组以及大型发电机的多导体传输线模 型。提出采用按时间抽取的快速傅立叶变换处理复杂激励源的方法，将在发电 机出线端测得的雷电过电压信号分解为若干谐波信号，分别作为上述多导体传 输线模型的激励源来计算发电机绕组匝电压，再通过时域上的叠加，得到发电 机定子绕组实际的匝电压。 5 、用m a t l a b 仿真软件对雷电冲击全波、波尾截断雷电冲击波和波前截 断雷电冲击波进行了仿真，用快速傅立叶变换f f t 将其分解为多次谐波1 6 9 1 ，并 采用幅值阀值法提取出幅值较大的谐波。以5 4 0 槽三峡发电机为例r 7 0 】，运用多 导体传输线模型计算了其定子绕组的雷电冲击全波过电压，给出了仿真结果， 验证了这个理论的正确性、可行性和优越性。 本文提出的大型发电机雷电过电压在线监测分析方法，采用实时性较好的 信号测量方法，将多导体传输线理论与快速傅立叶变换相结合进行信号处理和 计算，具有一定的现实意义。 心川大学硕士学位论文 2 霜电过电压分析 2 1弓l 言 我国电力系统澄步入发曩大逛网、窿电压与大枫组的时健。大型发电站农 电力系统中占有举足轻萤的地位，它的安全逶营对豳民经济的发展有着非常重 要静意义。甏毫是蠡然界孛雷云之麓或是雷云与大遮之阕麴一秘毅电襞象，葵 特点是电压很高、上升时间很小。具奇很大的危害性。为了保证不问断的供电 以及高压设铬的正常运行，在嘏气设备导电部分本身与大恁之间，需要有足够 完善湖可靠的绝缘。虽然嚣端有避雷器的保护，但雷电过电压对发电机所造成 的损伤仍然不容忽视，特别是雷电过电压冲谮对发电机绕组造成的绝缘损伤问 题越来越突囊，最终可熊导致严重事教戆发生。同辩，电气设备鲍绝缘若受到 损坏，需更换或修复的时间往往很长，这将造成很火的影响。因此，大型发电 辊雷耄遥宅蘧静鏊滚与分耩是蘩常重瑟帮必蘩静。 2 2 雷电过电压 2 2 。l 霉电避电压凝述 雷电是种极为壮观的自然现象，由于其强大的威力和破坏作用，一直以 来都壤雩| 着入爨耱注意。 云中水汽的起电和同极性电荷的积累形成雷云，带电雷云的场强因电荷的 逐步积累焉举断增大，达蓟空气击穿场强辩，雷云游大遣放电，蔡有辩阂短、 电流大、瞬间功率极大( 可达3 0 0 0 0 0 m w ) 的特点。这个极大的雷电流就是农 电气设备上出现危险过电压的主要根源，雷电过电难按其产生原因可分为：巍 壹霍_ i 建电垂、感应霪过电压和授入雷媳波过魄压。下蟊戴霉云的放电过程、嚣 电参数、雷电过电压的形成以及防雷黻置进行进一步的阐述。 2 2 1 1 雷旅的放电过程 雷电产譬三的载体是雷云，雷云的带电过疆可能是综合性酌。雷云串的电葡 分布是不均匀的，往往形成好多个电药密集中心。每个电荷中心的电旖约为 o 1 1 0 c ，一块雷云同极性的总电荷则可达数百库。雷云中的平均场强约为 1 5 0 k v m ，霹在雷爨黠可这3 4 0 k v m 。鼹云下爨逖表豹电场一般必l o 4 0 k v m ， 9 四川大学硕士学位论文 最大可达1 5 0 k v m ，当云中电荷密集处的场强达到空气击穿场强( 2 5 0 0 3 0 0 0 k v m ) 时，就会发生先导放电。雷云放电大部分是在云间或云内进行的， 只有小部分是对地发生的。雷云对地的电位可高达数千万伏到上亿伏。 在对地的雷电放电中，有9 0 左右的雷是负极性的。雷电的主放电阶段伴 11 有雷鸣和闪光。主放电时间极短约5 0 1 0 0 1 t s ，速度约为光速c 的去三。第 z uz 一个电荷中心完成放电后，可能引起第二个、第三个中心向第一个中心放电， 并沿原先的通道到达大地。因此，雷电可能是多重性的，每次放电间隔o 6 m s 0 8 s ，平均约6 5 m s ，放电数目平均2 3 个，最多可达4 0 多个。第二次及以后 的放电，其先导是自上而下连续发展的，无停歇现象，而主放电仍是自下而上 发展的。其主放电电流一般较小，不超过3 0 k a 【5 ”。 正雷云的放电过程，除了逐级发展现象不明显及主放电波头、波尾较长外， 与负雷云基本相同。雷云对地放电的特点是时间短，电流大、能量不大，但瞬 间功率极大，可达3 0 0 0 0 0 m w ，对地面物体如电力设备的破坏力极大。因此， 雷电研究、监测及防雷十分必要。 2 2 1 2 雷电参数 表征雷电的参数有：雷电流的波形( 幅值、陡度、波头波尾长度等) 、雷电 流概率密度、雷暴日等。在电气设备的防雷及雷电监测中，最主要的是主放电 通道的波阻、雷电流波形和最大陡度以及每年每平方公里对地落雷次数。雷电 的强弱用雷电流来表示。雷电流的参数是指它的幅值、极性、陡度和波形。 雷电流的幅值是指雷击于低接地阻 抗的物体时流过该物体的电流。由等值 集中参数可得雷击地面时的等值电路如 图2 1 所示。 图中“。为来波电压，i 。为来波电 流，z 0 为雷电通道的波阻抗，z ，为雷 击点的接地阻抗。由u 。= i o z o 可得 l o 图2 1 雷击地面时的等值电路 ，：旦：堕( 2 1 ) z o + z jz o + z j 四川大学硕士学位论文 在主放电时，雷电通道每米的电容及电感为： c 。= 县( f m ) l 。：譬l n 三( h m ) ( 2 - 2 ) 1 蚓 劢7 其中，空气介电常数氏= 8 8 6 x 1 0 。1 2 ；空气导磁系数风= 4 万1 0 - 。；取主放电 的长度，= 3 0 0 m ，主放电通道的电晕半径 = 6 m ，主放电电流的高导通道半径 斤一 r = 0 0 3 m ，就可以计算出雷电通道波阻z o = 1 导= 3 5 9 ( f 】) ，波速 v 乙o v = ：= o 6 5 c 。由于通道中存在较大电阻，实际中的主放电速度比它低， 、l o c o 一般取z o = 3 0 0 q ，z s z o ，则，= 2 i o 即为雷电流幅值口”。 雷电流幅值与雷云中电荷多少有关，是个随机变量。因此，防雷分析时必 须考虑其统计规律。我国在年平均雷日大于2 0 的地区测得过1 2 0 5 个雷电流， 其幅值概率曲线见图2 2 ，其中，p 为雷电流超过i ( 单位为k a ) 的概率。 世界上各国测得的雷电流波形基本上是一致的，波长f 值在4 0 u s 左右，波 头f 。值大致为l 4 z s ，平均2 6 a 左右。 波头f 。的变化不大，所以雷电流的波头陡度最大值( 即陡度) 和雷电流幅 值密切相关。国际大电网会议指出：“雷电流幅值与其最大上升速率是肯定相 雷 电 流 幅 值 k a 超过i 的百分数 图2 2 中国雷电流幅值的概率曲线 四川大学硕士学位论文 关的。”我国规定波头r ，= 2 6 p s ，则雷电流平均上升陡度为 堕：上(kaus)(2-3)dt 2 6 。 实际中，在波头范围内雷电流可表示为： i 。去，( 1 一c o s c o t ) ( 2 4 ) 每平方公里每雷日的对地落雷次数称为落雷密度，。我国取 ，= a , t 6 = 0 0 1 5 ，其中t 为当地年平均雷日数。线路每年每百公里般高度线 路的雷击次数为 ，= y 意嘉1 0 0 r ，其中r 为对下行雷的吸引半径。 2 2 1 3 雷电过电压的形成 雷电过电压按其产生原因可分为直击雷过电压、感应雷过电压和侵入雷电 波过电压。落雷时，在被直接击中的导线上形成的过电压称为直击霄过电压； 在其附近但未被直接击中的导线上形成的过电压称为感应雷过电压；沿线路侵 入发、变电站的雷电过电压称为侵入雷电波过电压。下面将讨论雷直击无限长 导线时的直击雷过电压：雷直击另端接地的有限长导线时的直击雷过电压：雷 直击另端接地的有限长导线时，在附近的有限长导体上的感