張建濤，胡　剛

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱　150040)

汽輪發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行能力研究

張建濤，胡剛

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150040)

摘要：汽輪發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行后，其出力、定轉(zhuǎn)子電流均與額定工況大不相同。判斷電機(jī)的失磁異步運(yùn)行能力，需要從定子線棒、轉(zhuǎn)子線圈、轉(zhuǎn)子鐵心和定子端部四個(gè)方面的損耗大小。文章在對(duì)失磁異步運(yùn)行仿真的基礎(chǔ)上，以一臺(tái)350 MW汽輪發(fā)電機(jī)為例，用二維和三維有限元法，從這四個(gè)方面加以分析，最后得到了電機(jī)的失磁異步運(yùn)行能力。

關(guān)鍵詞：汽輪發(fā)電機(jī)；失磁；異步運(yùn)行

0引言

汽輪發(fā)電機(jī)失去勵(lì)磁后不會(huì)馬上與電網(wǎng)解列，而是在原動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下進(jìn)入異步運(yùn)行狀態(tài)，并向電網(wǎng)輸出一定有功功率。這就是汽輪發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行。它屬于應(yīng)避免而又不可能完全排除的非正常運(yùn)行狀態(tài)。因發(fā)電機(jī)失磁瞬間從發(fā)送無(wú)功的正常運(yùn)行狀態(tài)，躍變?yōu)槲諢o(wú)功狀態(tài)，對(duì)電網(wǎng)造成非常不利的大幅度無(wú)功負(fù)荷變化，故應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格限制失磁異步運(yùn)行條件。實(shí)踐表明，有限的短時(shí)異步運(yùn)行對(duì)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行是有利的，可能因此恢復(fù)勵(lì)磁，從而避免發(fā)電機(jī)緊急掉閘對(duì)熱動(dòng)力設(shè)備的沖擊。若不能恢復(fù)勵(lì)磁，短時(shí)的異步運(yùn)行也可以使機(jī)組負(fù)荷在解列前以適當(dāng)速度減少以至足以轉(zhuǎn)至其他機(jī)組[1-3]。

汽輪發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行的能力及限值與電網(wǎng)容量、機(jī)組容量、有否特殊設(shè)計(jì)等有關(guān)。一般需要視具體情況具體分析，經(jīng)過(guò)計(jì)算和試驗(yàn)來(lái)確定。當(dāng)電機(jī)失去勵(lì)磁后，轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)差速度運(yùn)行。轉(zhuǎn)子產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩，定子、轉(zhuǎn)子電流大小跟額定工況時(shí)也不一樣。發(fā)電機(jī)由發(fā)出無(wú)功變?yōu)槲諢o(wú)功，變?yōu)橐环N進(jìn)相運(yùn)行狀態(tài)。因此，有必要對(duì)這些變化進(jìn)行分析，研究它們對(duì)電機(jī)本身的影響，并從此角度分析電機(jī)所具備的失磁異步運(yùn)行能力。文章以一臺(tái)350 MW汽輪發(fā)電機(jī)為例，以額定定子電流、額定勵(lì)磁電流以及轉(zhuǎn)子鐵心損耗和定子端部損耗在正常運(yùn)行工況下的大小作為電機(jī)失磁異步運(yùn)行能力的判斷依據(jù)，利用Simulink仿真技術(shù)和電磁場(chǎng)有限元技術(shù)，分析在不同失磁形式、帶不同負(fù)載下的定轉(zhuǎn)子電流大小，轉(zhuǎn)子鐵心和定子端部損耗的大小，從而確定電機(jī)的失磁異步運(yùn)行能力。表1為電機(jī)的基本參數(shù)。

表1　電機(jī)基本數(shù)據(jù)

1定子電流

定子線棒發(fā)熱是限制電機(jī)出力的重要因素。失磁后，建立電機(jī)磁場(chǎng)的激磁電流也由定子方面提供，所以定子電流增大很多。圖1為用Simulink軟件仿真得到的帶100%負(fù)載失磁后的定子電流變化曲線?？梢钥闯?，失磁后電流有效值發(fā)生了波動(dòng)。取一個(gè)周期的電流進(jìn)行平均，再與額定電流進(jìn)行對(duì)比，從而判斷電機(jī)所能承受的失磁能力。圖2為不同負(fù)載發(fā)生失磁后的定子電流曲線。從圖2可以看出，電機(jī)發(fā)生短路失磁后可以帶80%的負(fù)載，而發(fā)生開(kāi)路失磁后至少要將負(fù)載降到70%，才能保證定子線棒不發(fā)生過(guò)熱。

圖1　100%負(fù)載失磁后定子電流曲線

圖2　失磁后定子電流有效值與負(fù)載關(guān)系曲線

2轉(zhuǎn)子電流

當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子由于某種故障造成短路失磁后，由于轉(zhuǎn)子電感很大，磁通不能突變，在轉(zhuǎn)子回路中將感應(yīng)出交變的電流，如圖3所示。從圖上可以看出，即使在100%負(fù)載失磁時(shí)，轉(zhuǎn)子交變電流的幅值也小于正常運(yùn)行時(shí)的幅值，故不會(huì)引起轉(zhuǎn)子繞組的過(guò)熱。因此，轉(zhuǎn)子電流不構(gòu)成限制電機(jī)失磁異步運(yùn)行能力的因素。

圖3　短路失磁后轉(zhuǎn)子電流曲線

3轉(zhuǎn)子鐵心損耗

汽輪發(fā)電機(jī)失磁進(jìn)入穩(wěn)態(tài)異步運(yùn)行后，將會(huì)在轉(zhuǎn)子本體及各部件包括轉(zhuǎn)子繞組、阻尼繞組、槽楔等感應(yīng)轉(zhuǎn)差頻率為sf1的交流電流。該電流沿轉(zhuǎn)子本體形成回路，引起轉(zhuǎn)子鐵心發(fā)熱。因此，失磁后轉(zhuǎn)子溫度會(huì)上升，需要核算失磁后轉(zhuǎn)子鐵心上的總損耗。

由于定子和轉(zhuǎn)子齒槽的存在，在氣隙中存在相當(dāng)比例的諧波，即使在額定工況下轉(zhuǎn)子表面也會(huì)產(chǎn)生損耗。文章采用二維時(shí)步有限元法，計(jì)算發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵心損耗。圖4為電機(jī)在額定工況下的磁場(chǎng)分布和轉(zhuǎn)子鐵心損耗隨時(shí)間變化的曲線。經(jīng)過(guò)計(jì)算，正常運(yùn)行時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心損耗為131 kW。

圖4　額定工況下的場(chǎng)圖和轉(zhuǎn)子損耗曲線

將失磁后的轉(zhuǎn)子電流、定子電流和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速作為邊界條件，用上述方法計(jì)算失磁后的轉(zhuǎn)子鐵心損耗。圖5為轉(zhuǎn)子鐵心平均損耗與負(fù)載關(guān)系曲線.計(jì)算結(jié)果表明，為保障電機(jī)安全運(yùn)行，短路失磁后電機(jī)的負(fù)載應(yīng)該降到53%左右，而開(kāi)路失磁后負(fù)載至少應(yīng)該降到70%。

圖5　失磁后的轉(zhuǎn)子鐵心損耗-負(fù)載的關(guān)系

4定子端部損耗

汽輪發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行是進(jìn)相運(yùn)行的極限情況。定子端部漏磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子端部漏磁場(chǎng)相對(duì)空間位置發(fā)生了變化，使得兩者的合成在增大。該合成磁場(chǎng)會(huì)在定子端部結(jié)構(gòu)件中產(chǎn)生渦流損耗而引起發(fā)熱。尤其是對(duì)直接冷卻的大型電機(jī)，由于線負(fù)荷比較高，發(fā)熱問(wèn)題更應(yīng)引起注意。它一般限制了汽輪發(fā)電機(jī)的失磁異步運(yùn)行能力。

文章利用三維有限元法，計(jì)算汽輪發(fā)電機(jī)在失磁異步運(yùn)行工況下的端部損耗，確定其異步運(yùn)行能力。計(jì)算額定工況下的定子端部損耗，圖6為計(jì)算得到的額定工況下的端部磁場(chǎng)分布，表2為端部各金屬結(jié)構(gòu)件在額定工況下的損耗大小。

圖6　額定工況下的端部磁場(chǎng)

表2　額定時(shí)各端部結(jié)構(gòu)件損耗 kW

為確定失磁后端部結(jié)構(gòu)件的發(fā)熱情況，將失磁后的轉(zhuǎn)子電流、定子電流和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速作為三維有限元的邊界條件，計(jì)算不同負(fù)載失磁后的端部損耗。由于失磁后的各量的波動(dòng)周期很大，不可能計(jì)算每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的損耗大小，所以等間隔地挑選了9個(gè)點(diǎn)。

圖7為短路失磁后的定子端部損耗曲線。從結(jié)果可以看出，失磁后端部損耗確實(shí)顯著增加。如果不降負(fù)載必然會(huì)引起端部過(guò)熱，當(dāng)負(fù)載降到46.3%時(shí)與正常運(yùn)行時(shí)的端部損耗比較接近。故電機(jī)可以帶46.3%的負(fù)載失磁異步運(yùn)行。

圖7　不同負(fù)載短路失磁后的端部損耗

圖8為轉(zhuǎn)子開(kāi)路失磁后的不同負(fù)載情況下的定子端部損耗。經(jīng)過(guò)計(jì)算，開(kāi)路失磁后負(fù)載至少應(yīng)該降到29.4%，端部損耗才接近于正常運(yùn)行工況，不致引起端部過(guò)熱。

圖8　開(kāi)路失磁后的端部損耗

綜合以上分析，在轉(zhuǎn)子開(kāi)路情況下必須將負(fù)載降到29.4%左右，轉(zhuǎn)子短路情況下負(fù)載必須降到46.3%，才能滿足定子繞組、轉(zhuǎn)子鐵心、端部結(jié)構(gòu)件都不過(guò)熱。也就是說(shuō)，在開(kāi)路情況下，350 MW汽輪發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行能力為能帶29.4%的負(fù)載安全運(yùn)行，而在短路情況下，則能帶46.3%的負(fù)載安全運(yùn)行。

5結(jié)語(yǔ)

文章采用二維和三維有限元法，在對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行仿真的基礎(chǔ)上，分析了電機(jī)失磁后的定子電流、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子鐵心損耗和定子端部損耗，最后確定了電機(jī)的失磁異步運(yùn)行能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 姚晴林.同步發(fā)電機(jī)失磁及其保護(hù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,1981.

[2] 周德貴, 鞏德林. 同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行技術(shù)與實(shí)踐[M].二版.中國(guó)電力出版社, 1995.

[3] 汪耕，李希明.大型汽輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)、制造與運(yùn)行.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2000.

張建濤，女，1983年生，2009年畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電機(jī)與電器專業(yè)，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)殡姍C(jī)設(shè)計(jì)及電機(jī)電磁場(chǎng)分析。

作者簡(jiǎn)介: