《表2 故障前后不同基频的电磁转矩》

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《同步发电机定子绕组短路故障瞬态过程电磁转矩特性分析》

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从图3到图6可以看出，同步发电机在正常运行时，电磁转矩虽有脉振，但是脉振程度不是很明显。由于内部短路故障引起气隙磁场畸变致使电磁转矩的脉振程度发生了变化，在短路后的瞬态过程中，电磁转矩不但发生剧烈变化，而且在周期上也不同于正常运行时的电磁转矩。从图7到图10的频谱分析可以发现，导致内部短路故障后暂态过渡过程中电磁转矩发生剧烈变化的原因在于故障后瞬态过程中出现基频电磁转矩、二倍基频电磁转矩、三倍基频电磁转矩分量以及四倍频电磁转矩分量。正如前文中分析所示，故障回路环流所引发的脉振磁场产生的脉振磁动势在转子绕组中感应出基频附加电势与二倍频附加电势等谐波电势，这些电势使转子励磁绕组电流发生变化，其与定子绕组相互作用产生的气隙合成磁场也会发生变化，在故障后瞬态过程中产生了基频电磁转矩、二倍频电磁转矩和三倍频电磁转矩等分量。同时还可以发现，同步发电机发生内部故障后的瞬态过程中恒定转矩减小，其原因在于定子绕组发生内部短路故障后，气隙磁场由圆形磁场变为椭圆形的气隙磁场，使得产生的恒定转矩减小。图7～图10中四种频率电磁转矩频谱分析仪验证了故障后瞬态电磁转矩理论推导与分析的正确性。从表2可以得出，对于并网运行的同步发电机，定子绕组短路故障后的瞬态过程中，二倍基频电磁转矩分量的变化相对较大，其次是基频电磁转矩。随着短路匝数的增加，基频与二倍频电磁转矩分量也随之增大。在短路匝数接近1/5的情况下，二倍基频电磁转矩已经达到正常运行时恒定转矩的30.09%，基频电磁转矩达到正常运行时恒定转矩的7.64%。由于凸极效应引发平均磁导率中的磁导系数a1与a2很小，所以四种频率中三倍基频电磁转矩与四倍基频电磁转矩相对较小。在工程应用中，选取基频电磁转矩与二倍频电磁转矩作为同步发电机定子内部短路故障的故障特征量能够有效的反映出故障情况，在故障的监测与保护中具有很大的优势。