欒慶偉，楊懷海，潘波

(1哈爾濱大電機研究所，黑龍江哈爾濱150040；2哈爾濱理工大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001；3佳木斯電機股份限公司，黑龍江佳木斯154002)

六相脈沖發(fā)電機穩(wěn)態(tài)負序能力分析

欒慶偉1, 2，楊懷海3，潘波3

(1哈爾濱大電機研究所，黑龍江哈爾濱150040；2哈爾濱理工大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001；3佳木斯電機股份限公司，黑龍江佳木斯154002)

以一臺六相脈沖發(fā)電機為例，采用電磁場與溫度場耦合的方法研究了六相脈沖發(fā)電機穩(wěn)態(tài)負序能力，同時探討了負序電流產(chǎn)生機理以及六相脈沖發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)負序能力考核標準。相關(guān)標準對于六相電機規(guī)定較少，因此對于研究此類電機有一定的參考價值。

脈沖發(fā)電機；六相電機；穩(wěn)態(tài)負序

0 引言

發(fā)電機在運行中不可避免的存在某種不對稱狀態(tài)，此時電機電流中將含有一定的負序電流。負序電流產(chǎn)生的負序旋轉(zhuǎn)磁場，相對轉(zhuǎn)子沿反方向以兩倍基波的角速度旋轉(zhuǎn)，在阻尼繞組中感生電流，引起負序損耗，使阻尼繞組溫度升高。另外，當(dāng)發(fā)生故障不對稱運行時，定子繞組中產(chǎn)生較大的負序電流，也同樣會引起阻尼繞組溫度升高。阻尼條溫度過高時，會造成阻尼條的熔斷，或者損毀，影響機組的安全的運行，因此對發(fā)電機的負序能力研究是十分必要的。

脈沖發(fā)電機是一種能在短時間內(nèi)提供高電壓、大電流或者脈沖大功率脈沖的發(fā)電機。以某300MVA交流脈沖發(fā)電機為研究對象，對其負序能力進行了研究。此臺脈沖發(fā)電機的定子繞組采用6相2-Y移30°結(jié)構(gòu)，其通常運行工況為：繞線式異步電動機采用轉(zhuǎn)子串接液體電阻恒定子額定電流起動并加速機組，機組整個開機過程(由靜止起動到額定轉(zhuǎn)速)的時間不大于15min，機組額定轉(zhuǎn)速下等待指令進行重復(fù)放電和再加速，裝置放電時一次釋能時間(同步發(fā)電機發(fā)電時間)約15s(帶額定負荷時間10s，空載勵磁上升及下降共5s)，重復(fù)釋能周期10～15min，再加速(由0.7倍額定轉(zhuǎn)速加速到額定轉(zhuǎn)速)時間不大于5min；機組每年平均使用100多天，通常每天起動次數(shù)1次(但設(shè)計值每天應(yīng)能重復(fù)起動次數(shù)不少于2次)，每天約40次再加速和脈沖放電。因此有必要針對其繞組結(jié)構(gòu)和運行方式的特殊性對其負序能力進行研究。

1 負序電流的產(chǎn)生機理

發(fā)電機負載不對稱運行是電力系統(tǒng)運行中經(jīng)常出現(xiàn)的情況，此時電機內(nèi)就會產(chǎn)生負序電流。而即使在發(fā)電機負載完全對稱的情況下，由于定、轉(zhuǎn)子之間的齒槽效應(yīng)，仍然會有感應(yīng)電流在阻尼繞組內(nèi)產(chǎn)生。

在不對稱的三相負載情況下，即使三相電壓是對稱的，電流仍然是不對稱的。但考慮到電路是線性的，如將不對稱電流分解為零序、正序和負序三組對稱的電流分量，則分析每一組對稱的電流分量就變得簡單易行。這種計算不對稱三相電路的方法稱為對稱分量法[1]。

(1)

式中，a=∠120°。從而得到其中A相電流的零序、正序以及負序分量為

(2)

當(dāng)定子繞組中產(chǎn)生負序電流時，該負序電流所產(chǎn)生的負序磁場同樣以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，但與正序旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向反。因而，以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機轉(zhuǎn)子將以2倍同步轉(zhuǎn)速切割該負序磁場，從而在勵磁繞組、阻尼繞組甚至轉(zhuǎn)子本體中感應(yīng)出2倍工頻的負序電流。負序電流在電機轉(zhuǎn)子阻尼繞組中將引起附加熱損耗，若損耗過大，會引起阻尼繞組溫度過高，嚴重情況下會引起熔斷，若在機組運行過程中發(fā)生熔斷。由于本脈沖發(fā)電機額定電流為29kA，定子側(cè)發(fā)生不對稱運行時，負序電流勢必很大。因此在發(fā)電機設(shè)計時，必須考慮發(fā)電機的負序運行能力。

2 脈沖發(fā)電機穩(wěn)態(tài)負序損耗計算

脈沖發(fā)電機的基本數(shù)據(jù)如表1所示。采用有限元軟件建立脈沖發(fā)電機模型，為了減少計算量，建立整模型的1/24，模型極數(shù)為1個極，定子槽數(shù)為12槽。設(shè)置好材料屬性、運動屬性、邊界條件后的有限元模型如圖1所示。

圖1 脈沖發(fā)電機有限元模型

圖2為脈沖發(fā)電機穩(wěn)態(tài)負序能力求解模型的定子電路示意圖，脈沖發(fā)電機的工作制與常規(guī)三相水輪發(fā)電機相比，其單次同步運行(同步發(fā)電機發(fā)電運行時間)時間很短，約15s(帶額定負荷時間10s，空載勵磁上升及下降共5s)，而對常規(guī)三相水輪發(fā)電機額定容量為125MVA及以下的空氣冷卻水輪發(fā)電機不超過電流12%；額定容量大于125MVA的空氣冷卻水輪發(fā)電機不超過9%；定子繞組水直接冷卻的水輪發(fā)電機不超過6%。

圖2 穩(wěn)態(tài)負序能力求解模型的定子電路示意圖

由于研究用的脈沖發(fā)電機容量為300MVA，在研究穩(wěn)態(tài)負序能力時，首先在定子繞組側(cè)施加額定電流的9%作為負序電流來模擬脈沖發(fā)電機穩(wěn)態(tài)運行時出現(xiàn)不對稱的工況。A相電流的確定如式(3)，B相電流如式(4)，C相電流軟件根據(jù)基爾霍夫電流定律自動滿足。另一Y支路激勵源按同樣方法給出，參見式(5)，式(6)。計算脈沖發(fā)電機單次同步運行時間內(nèi)(15s)阻尼繞組的損耗。

(3)

sin(2πft+120°)

(4)

sin(2πft-30°)

(5)

sin(2πft+90°)

(6)

采用瞬態(tài)場求解器計算了脈沖發(fā)電機空載運行工況時四種轉(zhuǎn)速下阻尼條損耗。圖3 為轉(zhuǎn)子磁極阻尼條編號。四種轉(zhuǎn)速下各阻尼條的損耗如表2所示。

由表2可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速540r/s時,磁極上各阻尼條損耗較大。

3 脈沖發(fā)電機穩(wěn)態(tài)負序溫度計算

電機是一種機電能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，在機電能量轉(zhuǎn)換過程中不可避免地要產(chǎn)生損耗，這些損耗絕大部分變成熱量，使電機各部分溫度升高。本文采用電磁場與溫度場耦合的方法，將上節(jié)計算得到的阻尼條損耗作為熱源，直接與溫度場進行耦合，算得到四種轉(zhuǎn)速下各阻尼條溫度。根據(jù)熱力學(xué)相關(guān)知識，可以確定轉(zhuǎn)子磁極表面以及阻尼條表面為散熱面，邊界條件為第三類邊界條件[2]，如圖4所示，初始環(huán)境溫度為53℃。四種轉(zhuǎn)速下散熱系數(shù)見表3。圖5、圖6、圖7、圖8為各個轉(zhuǎn)速下各阻尼條溫度分布圖。

表3 四種轉(zhuǎn)速下散熱系數(shù)(W/ m2·℃)

圖4 轉(zhuǎn)子磁極表面和阻尼條散熱邊界

圖5 540r/min阻尼繞組溫度圖

圖6 498r/min阻尼繞組溫度圖

圖7 415r/min阻尼繞組溫度

圖8 335r/min阻尼繞組溫度圖

以上計算了轉(zhuǎn)速540r/min時15s內(nèi)阻尼繞組的溫升情況，由于研究脈沖發(fā)電機長期不對稱運，因此計算了該轉(zhuǎn)速下100s 阻尼繞組的溫度。圖9為Damper1100s時的溫度曲線，可以看到100s時，阻尼繞組的溫度趨于穩(wěn)定，為56.2℃。

圖9 轉(zhuǎn)速540時阻尼繞組Damper1100s溫度曲線

4 六相脈沖發(fā)電機負序能力考核標準的討論

對于普通的三相水輪發(fā)電機，其穩(wěn)態(tài)負序能力主要參照如下標準:標準GB/T 7894—2009《水輪發(fā)電機基本技術(shù)條件》中規(guī)定，水輪發(fā)電機在不對稱電力系統(tǒng)中運行時，穩(wěn)態(tài)負序電流為下列數(shù)值時應(yīng)能長期運行：額定容量為125MVA及以下的空氣冷卻水輪發(fā)電機不超過12%；額定容量大于125MVA的空氣冷卻水輪發(fā)電機不超過9%；定子繞組水直接冷卻的水輪發(fā)電機不超過6%。標準JB/T 8445—1996《三相同步發(fā)電機負序電流承受能力試驗方法》中規(guī)定了在電機長期運行時紫銅阻尼條允許的最高溫度為130℃。

由于脈沖發(fā)電機的定子繞組采用6相2-Y移30°結(jié)構(gòu)，其運行情況在前言部分已經(jīng)介紹，常規(guī)三相水輪發(fā)電機負序能力的考核標準是否適用，仍然需要進一步研究，國家相關(guān)標準和IEEE，以及IEC也沒有相關(guān)的規(guī)定。但是就發(fā)電機負序能力而言，歸根結(jié)底，是由轉(zhuǎn)子各結(jié)構(gòu)件允許的最高溫度所決定的，各結(jié)構(gòu)件所允許的最高溫度仍然參考JB/T 8445—1996《三相同步發(fā)電機負序電流承受能力試驗方法》[3]中相關(guān)規(guī)定，如表4所示。

表4 轉(zhuǎn)子各結(jié)構(gòu)件允許最高溫度

5 結(jié)語

本文通過對六相脈沖發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)負序能力進行分析，并采用電器場與溫度場耦合的方法，計算了負序溫度，其結(jié)果完全符合考核標準。因此本文的技術(shù)在實際應(yīng)用中和學(xué)術(shù)上有一定的參考價值。

[1] 湯蘊璆.電機學(xué).北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[2] 丁舜年.大型電機的發(fā)熱與冷卻.北京：科學(xué)出版社，1992.

[3] JB/T 8445—1996三相同步發(fā)電機負序電流承受能力試驗方法.

Analysis on Steady-State Negative-Sequence Ability ofSix-Phase Pulse Generator

LuanQingwei,YangHuaihai,andPanBo

(1.Harbin Institute of Large Electrical Machinery, Harbin 150040, China；2.Harbin University of Science and Technology, Harbin 150001, China；3.Jiamusi Electric Machine Co., Ltd., Jimusi 154002, Chinaa)

Taking a six-phase pulse generator as an example, the steady-state negative-sequence ability is studied by method of coupling electric magnetic field and temperature field. The production principle of negative-sequence current and assessment standards of steady-state negative-sequence ability are discussed. There are very little related standards about six-phase generator, so this paper has a certain reference value.

Pulse generator；six-phase generator；steady-state negative-sequence

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.02.06

TM301.3

A

1008-7281(2017)02-0019-004

欒慶偉 男 1981年生；畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)，現(xiàn)從事水輪發(fā)電機、汽輪發(fā)電機以大型交直流電機研發(fā)工作.

2017-01-05