焦曉霞，沈梁偉

（哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

1 前言

我國煤炭資源集中在西部，用戶中心在東部，因此實施西電東送是必由之路。高壓輸電線路中加裝串聯(lián)補償裝置可提高線路的輸送能力。以4臺600MW發(fā)電機500kV兩回路送出為例，輸送能力可增加30%左右，與增建線路相比具有節(jié)約線路建設(shè)投資，節(jié)省輸電走廊占地等優(yōu)勢。自1970年美國Mohave電站因加裝串補發(fā)生SSR損壞發(fā)電機事故后，如何解決由串補引起的SSR問題一直是值得關(guān)注的領(lǐng)域。

如圖1所示，汽輪發(fā)電機組軸系細長，轉(zhuǎn)動慣量小，具有多模態(tài)振蕩特性和弱阻尼特性。

串補系統(tǒng) LC回路電氣諧振頻率與機組軸系某階機械扭轉(zhuǎn)固有頻率互補時軸系就會產(chǎn)生共振，這就是SSR，見圖2。

圖中：U1—發(fā)電機側(cè)電壓；U2—用戶側(cè)電壓；XL—線路電抗；RL—線路電阻；XC—串補電容。

其中：δ——功角；

fo——電網(wǎng)頻率。

當(dāng)發(fā)生機電擾動使得軸系轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系被破壞時，柔性軸系將產(chǎn)生疊加于平均轉(zhuǎn)速上的振動。尤其是當(dāng)某些條件下受到頻率與軸系扭振固有頻率接近或“合拍”的交變轉(zhuǎn)矩作用時，軸系將出現(xiàn)強烈的扭轉(zhuǎn)共振現(xiàn)象。

圖1 振型圖（某一固有頻率下的相對振幅）

圖2 串補與SSR示意圖

2 某電廠3號600MW機組的SSR

2.1 情況簡介

某電廠由HEC制造的3號600MW汽輪發(fā)電機，2007年10月雙線串補投運，2008年3～5月在投退固定串補，可控串補試驗中發(fā)生了SSR。電頻率21.33Hz與機組 2階模態(tài)頻率 28.67Hz互補。扭振保護裝置（TSR）測得的機頭 2階模態(tài)有效值 0.3rad/s，機尾0.5rad/s，扭振振幅不收斂，歷時788h。扭振使發(fā)電機振動超標，停機檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器及軸伸產(chǎn)生多條裂紋，在聯(lián)軸器上總共發(fā)現(xiàn)10條裂紋，裂紋都通過聯(lián)軸器鍵槽頂端，多呈X形；在主軸上發(fā)現(xiàn)了兩條宏觀裂紋，裂紋都通過鍵槽，宏觀上沿45°方向擴展，見圖3。3號發(fā)電機轉(zhuǎn)子因軸伸裂紋很深不得不報廢。后來仿真計算表明與 0.3rad/s相對應(yīng)的扭矩為額定扭矩的48%，與0.5rad/s相對應(yīng)的為額定扭矩的80%。

圖3 發(fā)電機汽端聯(lián)軸器和軸伸上裂紋

目前國內(nèi)有 4條高壓輸電線路上安裝了串補裝置，并都發(fā)生了SSR，而由SSR引發(fā)的發(fā)電機損壞這是首次，因此引起了各有關(guān)方面的重視。業(yè)主委托北京鋼鐵總院負責(zé)失效和材料分析，委托清華大學(xué)進行發(fā)電機軸系相關(guān)的各項復(fù)核計算和網(wǎng)機耦合仿真計算，哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司(HEC)在此基礎(chǔ)上做了些補充分析。今后隨著西電東送的發(fā)展裝有串補的線路越來越多，解決SSR成為當(dāng)前十分緊迫的任務(wù)。

2.2 事故分析

發(fā)電機汽端聯(lián)軸器是熱套在軸上的，聯(lián)軸器與軸之間有 8個φ50的圓錐銷，銷子是在?190℃打入的，緊量約0.03mm。經(jīng)過工件解剖、金相分析、材料化學(xué)成分分析，斷口形貌確認，找出裂紋源自聯(lián)軸器銷子頂端，見圖4。

材料和失效分析的結(jié)論如下[1]：

A.發(fā)電機聯(lián)軸器、圓鍵材料化學(xué)成分，力學(xué)性能符合設(shè)計規(guī)定的要求。

B.主軸、聯(lián)軸器材料各區(qū)域硬度分布和組織分布均勻，為基本正常的回火索氏體組織。

C.聯(lián)軸器和主軸裂紋均為多源疲勞裂紋。

D.聯(lián)軸器裂紋先于主軸裂紋形成于鍵槽頂端與主軸接觸的表面、聯(lián)軸器裂紋呈X形，受到雙向扭轉(zhuǎn)疲勞應(yīng)力的作用，其形成和擴展是結(jié)構(gòu)發(fā)生扭振的結(jié)果。

E.主軸裂紋形成于鍵槽圓柱面與球形頂面交界線上是主軸扭轉(zhuǎn)應(yīng)力最大和應(yīng)力集中最嚴重的區(qū)域。

圖4 裂紋源自聯(lián)軸器的銷孔頂端

清華大學(xué)對軸系彎曲振動的臨界轉(zhuǎn)速和振型進行了核算，對軸系扭振的固有頻率和振型進行了核算，對機組在不同工況下軸和聯(lián)軸器的應(yīng)力進行了核算，這三項核算結(jié)果與制造廠原設(shè)計差別不大。另外對SSR進行了模擬試驗和仿真計算，軸系采用4質(zhì)量塊模型，調(diào)整有關(guān)參數(shù)，使模型的扭振固有頻率與真機一致。通過在系統(tǒng)側(cè)電網(wǎng)上串接一個固定幅值的次同步頻率電壓，頻率與軸系模態(tài)2接近互補的方法激發(fā)出SSR，調(diào)整激勵電壓的幅值即可仿真不同幅度SSR的情況。仿真計算表明：發(fā)電機聯(lián)軸器附近轉(zhuǎn)距最大，扭矩值與對應(yīng)模態(tài)的轉(zhuǎn)速差呈線性關(guān)系，如轉(zhuǎn)速差為0.15rad/s時對應(yīng)的扭矩為額定扭矩的24%，而轉(zhuǎn)速差為0.54rad/s時扭矩將為額定扭矩的89%，模態(tài)的機械阻尼大小對激勵電壓的幅值有影響，機組負載會影響軸系的基礎(chǔ)扭矩，但不影響次同步模態(tài)扭矩[2]。

2.3 結(jié)構(gòu)疲勞壽命計算

HEC在以上工作基礎(chǔ)上對聯(lián)軸器和軸進行了有限元應(yīng)力分析，計算時結(jié)構(gòu)熱套公盈取實測值，主要計算了：靜態(tài)工況、額定工況、兩相短路工況、次同步振蕩工況（假如振幅P=325MW）。計算結(jié)果證明原設(shè)計按產(chǎn)品技術(shù)條件(GB7064)規(guī)定能承受前三種工況而不能承受第四種工況?；緮?shù)據(jù)見表1，應(yīng)力計算結(jié)果見表2。

表1 基本數(shù)據(jù)表

聯(lián)軸器和軸及銷釘材料特性：

材料彈性模量：E=2.06e5MPs

泊松比：μ=0.29

密度：ρ=7.85e-9t/mm3

表2 應(yīng)力計算結(jié)果

結(jié)構(gòu)疲勞壽命數(shù)據(jù)見表3。

兩相短路電磁扭矩時域圖如圖5所示，頻譜如圖6所示，軸疲勞壽命曲線如圖7所示，聯(lián)軸器壽命曲線如圖8所示。由圖8可見出現(xiàn)SSR時聯(lián)軸器的應(yīng)力高于軸，比軸先到達疲勞壽命終點。

從圖5可見，扭矩隨時間很快衰減，持續(xù)時間為1s多。從扭矩的數(shù)學(xué)表達式中可知，其頻率成分主要是直流、工頻50Hz及100Hz。這在扭矩的頻譜圖6中也得到證實。

圖5 兩相短路時，電磁擾動扭矩的時域圖

圖6 兩相短路時，電磁擾動扭矩的頻譜

圖7 軸疲勞壽命曲線

3 發(fā)電機設(shè)計如何應(yīng)對SSR

發(fā)電機在運行中電氣和機械兩方面都有可能在非正常工況下受到突然沖擊。這些異常工況有的是不可避免的，因此發(fā)電機設(shè)計時遵照標準規(guī)定要留有余地作出應(yīng)對，并且根據(jù)不同應(yīng)力性質(zhì)在工廠試驗中用不同的試驗方法進行考核。例如電氣方面有耐壓試驗、短時升高電壓試驗、防電暈試驗等。在機械方面有考核拉應(yīng)力的1.2倍額定轉(zhuǎn)速的超速試驗，對低周疲勞規(guī)定帶基荷轉(zhuǎn)子在它的使用期限內(nèi)起停次數(shù)不小于3000次，對兩班制調(diào)峰運行起停不小于10000次。整個壽命期內(nèi)起停引起的疲勞壽命損失占70%，另外的30%就留給扭振引起的疲勞壽命損失。為保證這一點，對服役期內(nèi)允許的擾動種類和允許的次數(shù)也做了推薦性規(guī)定。

圖8 聯(lián)軸器部件的疲勞壽命曲線圖

3.1 IEC60034-3的規(guī)定不適合于SSR

IEC60034-3對于扭振的規(guī)定是：“用外部方法將短路時相電流限制到不超過三相突然短路所產(chǎn)生的最大相電流值，則電機在額定負載和1.05倍額定電壓下運行時應(yīng)能承受出線端任何形式的突然短路而不發(fā)生導(dǎo)致立即停機的有害變形?！睗M足了這一條，就視為發(fā)電機設(shè)計合格。如圖 5所示，發(fā)電機短路時雖然扭振力矩很大，但收斂很快（不到1s），因此按計算疲勞壽命損失不大，見表4。

上世紀 70年代起國際上大電機及大電網(wǎng)發(fā)展很快,網(wǎng)機關(guān)系方面出現(xiàn)了很多新情況和新問題。表4為國際大電網(wǎng)會議研究網(wǎng)機關(guān)系工作組的計算結(jié)果[3]，表4表明了，雖滿足IEC規(guī)定，但一次SSR就能將發(fā)電機破壞。表中關(guān)于扭振有三種類型：第一種是一次性沖擊，沖擊過后就轉(zhuǎn)入另一種穩(wěn)態(tài)，扭振隨之消失，此類故障類型有突然短路、甩負荷、線路切換等。第二種是雙重或多重沖擊，即第一次扭振未過去又可能迭加第二次、第三次振蕩,這樣扭振就會迭加放大，此類擾動類型有重合閘等，例如某故障發(fā)展過程：單相接地-單相重合閘-兩相短路發(fā)電機強勵一三相接地。對于這類擾動，扭振可以是發(fā)散的，也可能是收斂的。第三類扭振是發(fā)散的諧振或不收斂，故障類型如次同步諧振、超同步振蕩。

表4

表5為各類扭振引起的汽輪發(fā)電機損壞概率評估。 HEC的計算沒有表4、表5那樣全面，但結(jié)論是一致的。若無保護措施SSR的發(fā)生會很頻繁而且損壞率很高。

根據(jù)表4、表5，CIGRE建議發(fā)電機的應(yīng)對策略歸納如下：

A.裝串補的電網(wǎng)應(yīng)該對SSR有保護措施，以避免發(fā)電機組的破壞；

B.禁止使用三相重合閘切除三相故障；

C.對誤同期并網(wǎng)次數(shù)應(yīng)加以限制(壽命期內(nèi)120度2 次)。

美國標準“隱極同步發(fā)電機”IEEE Std C50.13-2005第4.2.5條接受了CIGRE的建議,明確規(guī)定：裝串補的線路必須與發(fā)電機制造廠共同選擇防SSR的措施。

表5 扭振引起的汽輪發(fā)電機損壞危險率[4]

3.2 不可能通過改變機組模態(tài)頻率來回避SSR，也不可能改變發(fā)電機結(jié)構(gòu)、工藝來避免SSR

發(fā)電機設(shè)計在先，SSR發(fā)生在后，電網(wǎng)共振電頻率由輸電線路參數(shù)決定的。另外,雖然聯(lián)軸器和轉(zhuǎn)軸的熱套公盈量和鍵銷應(yīng)力集中系數(shù)對最大應(yīng)力值有較大影響，設(shè)計時要盡力掌控，但一旦SSR發(fā)生會在初始應(yīng)力基礎(chǔ)上疊加一個交變應(yīng)力，初始應(yīng)力大小就不起主要作用，只要扭振轉(zhuǎn)矩不收斂，斷裂只不過是時間早晚的問題。即使采用整體聯(lián)軸器，也只不過是斷裂位置轉(zhuǎn)移，而不是發(fā)不發(fā)生斷裂的問題。另外，當(dāng)前進一步提高發(fā)電機轉(zhuǎn)子材料疲勞強度的可能性也不大。

3.3 可以采用兩道防線解決SSR問題

既然發(fā)電機設(shè)計本身無法解決SSR問題，就要在電網(wǎng)上找辦法。首先是在電網(wǎng)上采取措施抑制 SSR，這不是本文范圍，只能略做歸納。我國在4個電廠不同輸出線路上分別實施4種抑振措施，經(jīng)過兩年多努力取得了豐碩成果。采用可控串補方法(TCSC)可以減小 SSR時的轉(zhuǎn)角差。采用附加勵磁裝置（SEDC）或采用次同步振蕩抑制器（SSR-DS）兩者原理相近，當(dāng)出現(xiàn)SSR電流時調(diào)制出同樣頻率但相位相反的電流加入到電氣回路中，從而對軸系擾動產(chǎn)生明顯的抑制作用。次同步振蕩抑制器 SSR-DS的抗扭振能力要比SEDC大，但投資也大。圖 9記錄了某電廠在調(diào)試SSR-DS過程中典型的SSR發(fā)散和收斂過程效果圖。

該電廠聯(lián)接有5條線路、5套串補裝置。在電廠4臺機組滿負荷正常運行工況下，由圖9可見4臺機組40s內(nèi)都發(fā)生了發(fā)散性的SSR。當(dāng)兩套SSR-DS投入后，10s內(nèi)立刻收斂，SSR消失。由圖可見SSR-DS的效果十分明顯，但該裝置不具備切機功能。

若網(wǎng)上沒有上述抑制SSR的措施,只有TSR保護裝置，當(dāng)發(fā)生SSR時，由于頻繁報警或切機，實際上機組就無法運行。TSR的功能是，萬一上述抑制SSR的措施失效，TSR按整定就會切機，保護機組免于損壞。另外，TSR中TSA還具有扭振分析的功能，因此TSR作為第二道防線也是不可缺少的。

圖9 SSR迅速發(fā)散和抑制效果圖

3.4 合理整定TSR的切機門檻值

TSR切機門檻值要與抑制SSR裝置和發(fā)電機結(jié)構(gòu)S-N曲線相配合。參考圖9可用原則是：如SSR迅速發(fā)散，40s內(nèi)應(yīng)投入抑制SSR裝置；投入后如SSR10s內(nèi)迅速收斂，TSR不應(yīng)動作；如SSR幅值穩(wěn)定，按圖7、圖8，當(dāng)扭振功率達到10%額定功率時就應(yīng)啟動TSR跳閘保護。

4 結(jié)論

（1）國內(nèi)外實踐證明，大容量遠距離輸電線路裝上串聯(lián)補償后容易產(chǎn)生 SSR，若不加以抑制和保護，就會對機組造成嚴重損傷。

（2）發(fā)電機設(shè)計不能長期承受SSR沖擊，若SSR不收斂就會使發(fā)電機疲勞壽命損失殆盡。

（3）電網(wǎng)上加抑制SSR措施并配以TSR做后備保護，可以確保機組的安全運行?，F(xiàn)在我國自行研制的 TCSC、SEDC、SSR-DS都在線路上投運并進一步接受運行考驗，這些創(chuàng)新成果已領(lǐng)先于國際水平。

[1]（2008）鋼測（Z）字第064號——發(fā)電機對輪故障的分析[R]北京:鋼鐵研究總院國家鋼鐵材料測試中心, 2008.

[2]蔣東翔. 電機聯(lián)軸器和軸裂紋故障分析與研究報告[R]. 北京: 清華大學(xué)熱能工程系, 2008.

[3]CIGRE SC1101工作報告[R]. 1980.

[4]唐任遠. 中國電氣工程大典(電機工程卷)[M]. 北京:中國電力出版社, 2008.