劉 然，許國(guó)瑞，曹志偉，王繼豪

不同工況下同步調(diào)相機(jī)定位筋磁場(chǎng)及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分析

劉 然1，許國(guó)瑞1，曹志偉2，王繼豪2

（1. 華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206；2. 國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南 250003）

隨著高壓直流輸電系統(tǒng)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備快速響應(yīng)能力和設(shè)備容量需求的不斷加大，大容量新型同步調(diào)相機(jī)逐漸得到廣泛應(yīng)用。隨著容量的增加，同步調(diào)相機(jī)端部漏磁大大增加。定位筋中的漏磁場(chǎng)中主要為軸向磁密分量，該磁場(chǎng)隨著定子電流的交變呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，因此易在定子鐵芯定位筋中產(chǎn)生較大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，導(dǎo)致放電風(fēng)險(xiǎn)增大，從而降低同步調(diào)相機(jī)的使用壽命。本文建立了同步調(diào)相機(jī)端部的三維有限元模型，計(jì)算了同步調(diào)相機(jī)在空載、額定負(fù)載和失磁情況下定位筋中的磁密分布，并對(duì)比分析了其中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小，為進(jìn)一步評(píng)估定位筋放電風(fēng)險(xiǎn)提供了理論基礎(chǔ)。

同步調(diào)相機(jī)；局部放電；磁密分布；定位筋

0 前言

目前大容量同步調(diào)相機(jī)已廣泛應(yīng)用于新能源近區(qū)電網(wǎng)和特高壓直流遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)的換流站，由于同步調(diào)相機(jī)單機(jī)容量的增大以及短時(shí)過(guò)載能力的提高，其端部結(jié)構(gòu)及磁場(chǎng)分布變得更加復(fù)雜[1-2]。在新的工作環(huán)境下，同步調(diào)相機(jī)會(huì)經(jīng)常運(yùn)行在過(guò)勵(lì)磁、低勵(lì)磁等復(fù)雜工況，端部磁場(chǎng)變化劇烈，會(huì)導(dǎo)致定位筋中產(chǎn)生較大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，增加局部放電風(fēng)險(xiǎn)，引起鐵芯灼傷和燒熔的后果，因此研究定位筋中的磁場(chǎng)分布及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小十分必要。

同步調(diào)相機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)是當(dāng)機(jī)端電壓發(fā)生改變，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，使得同步調(diào)相機(jī)向系統(tǒng)吸收或發(fā)出無(wú)功功率，保證電網(wǎng)電壓維持穩(wěn)定，是一種可以在穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)和暫態(tài)過(guò)程中向電網(wǎng)提供無(wú)功補(bǔ)償?shù)难b置[3-6]。目前主要采用三維有限元模型對(duì)調(diào)相機(jī)的端部磁場(chǎng)進(jìn)行分析和研究，文獻(xiàn)[7]~[9]利用三維瞬態(tài)有限元法對(duì)大型同步發(fā)電機(jī)在不同運(yùn)行條件下的電磁場(chǎng)和渦流損耗進(jìn)行了計(jì)算。文獻(xiàn)[10]指出定子鐵芯松動(dòng)、硅鋼片掉漆嚴(yán)重、沖片與定位筋鴿尾間隙不合適是定位筋鴿尾與定子鐵芯沖片之間產(chǎn)生局部放電的原因。根據(jù)燒熔特征可以得出局部放電主要分布在汽、勵(lì)兩端端部前四段主鐵芯。定子鐵芯外側(cè)的定位筋在軸向漏磁通的作用下感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，并在沖片間形成通道，導(dǎo)致鐵芯背部與定位筋燒熔[11]。文獻(xiàn)[12]、[13]提出了定子鐵芯短路故障的在線監(jiān)測(cè)方法，對(duì)保護(hù)定子鐵芯，降低故障損失具有重要意義。目前國(guó)內(nèi)對(duì)這類(lèi)事故的研究還停留在定性分析階段，沒(méi)有進(jìn)行更為深入的定量計(jì)算[14]。

為了研究同步調(diào)相機(jī)在不同運(yùn)行工況下，定位筋的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小以及由此產(chǎn)生的局部放電問(wèn)題，本文建立了同步調(diào)相機(jī)端部三維電磁場(chǎng)時(shí)步有限元模型，計(jì)算了同步調(diào)相機(jī)在空載、額定負(fù)載和失磁工況下定位筋中的磁密分布，研究了不同運(yùn)行工況對(duì)定位筋感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的影響，為進(jìn)一步評(píng)估定位筋放電風(fēng)險(xiǎn)提供了理論基礎(chǔ)。

1 端部結(jié)構(gòu)及三維時(shí)步有限元模型

1.1 端部結(jié)構(gòu)

調(diào)相機(jī)端部模型中主要包括定子繞組、勵(lì)磁繞組、銅屏蔽、磁屏蔽、壓圈、齒壓板、壓指、定子鐵芯、轉(zhuǎn)子鐵芯、定位筋及機(jī)座，簡(jiǎn)化示意圖如圖1所示。在調(diào)相機(jī)端部結(jié)構(gòu)中，定子的端部分別布置著長(zhǎng)壓指和短壓指。壓指外側(cè)加裝磁屏蔽和齒壓板，形成磁分路。磁屏蔽外側(cè)安裝低電阻率非磁性壓板，可對(duì)端部漏磁起到削弱作用。在壓板外側(cè)安裝高電導(dǎo)率環(huán)形銅屏蔽，通過(guò)產(chǎn)生的渦流阻止漏磁進(jìn)入壓圈的內(nèi)圓，以防止壓圈內(nèi)部出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象，定子鐵芯背部的漏磁場(chǎng)軸向磁密會(huì)在機(jī)殼內(nèi)流通。

圖1 調(diào)相機(jī)端部結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 三維時(shí)步有限元模型

同步調(diào)相機(jī)端部各結(jié)構(gòu)件形狀復(fù)雜多樣，且材料特性也不相同，磁場(chǎng)飽和、畸變、集膚效應(yīng)等非線性因素以及各種機(jī)端運(yùn)行工況使得端部磁場(chǎng)變得更加復(fù)雜。以300Mvar調(diào)相機(jī)結(jié)構(gòu)為例，建立了調(diào)相機(jī)的三維有限元電磁仿真模型，如圖2所示。為了減少計(jì)算時(shí)間，本文所采用的模型僅保留了前四段邊段鐵芯的端部結(jié)構(gòu)。

圖2 同步調(diào)相機(jī)時(shí)步有限元模型

大容量新型同步調(diào)相機(jī)共有定位筋24根，平均分布在定子鐵芯背部圓周，如圖3所示。定子鐵芯的主要組成部件不多，除了硅鋼片外，僅有定位筋、絕緣墊片和通風(fēng)槽片。在鐵芯疊片壓裝后，通過(guò)端部的壓指、壓圈和定位筋將鐵芯緊固形成一個(gè)整體。定子沖片與定位筋鴿尾之間的間隙為0.5mm，沖片依靠定位筋的鴿尾來(lái)定位。

圖3 定子鐵芯與定位筋結(jié)構(gòu)示意圖

在渦流區(qū)V1內(nèi)，有：

在非渦流區(qū)V2內(nèi)，有：

方程邊界條件為：

2 不同工況定位筋磁密分布

同步調(diào)相機(jī)實(shí)際上是并網(wǎng)運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)，通過(guò)控制勵(lì)磁電流的大小，使其工作在過(guò)勵(lì)、欠勵(lì)等運(yùn)行工況，從而改變同步調(diào)相機(jī)的無(wú)功功率，進(jìn)而維持系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定。

首先計(jì)算了同步調(diào)相機(jī)空載、額定負(fù)載和失磁三種工況的端部電磁場(chǎng)分布。表1給出了三種工況的定轉(zhuǎn)子電流和無(wú)功功率。空載運(yùn)行時(shí)，定子電流為零，同步調(diào)相機(jī)與系統(tǒng)之間沒(méi)有無(wú)功交換；額定運(yùn)行時(shí)，同步調(diào)相機(jī)處于過(guò)勵(lì)運(yùn)行狀態(tài)，電壓超前電流，向電網(wǎng)發(fā)出無(wú)功功率；失磁運(yùn)行時(shí)，同步調(diào)相機(jī)處于欠勵(lì)運(yùn)行狀態(tài)，電壓滯后電流，從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率。調(diào)相機(jī)失磁后，由于磁阻功率的存在，其仍能維持同步運(yùn)行。

表1 不同工況下的電流和無(wú)功功率

圖4所示為空載、額定負(fù)載和失磁三種工況的端部截面磁場(chǎng)分布圖，箭頭指向表示磁密方向，等值線表示磁密數(shù)值大小。從圖中可以看出，由于定子端部繞組中的電流同樣隨著時(shí)間交變，會(huì)在其周?chē)a(chǎn)生交變的漏磁場(chǎng)?？蛰d工況時(shí)，端部漏磁場(chǎng)僅由轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流產(chǎn)生，因此磁密較小。額定負(fù)載時(shí)，端部漏磁場(chǎng)是由轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流和定子繞組電流共同產(chǎn)生的，由于電樞反應(yīng)，端部磁密比空載工況的大。失磁工況時(shí)端部漏磁場(chǎng)是由定子繞組電流單獨(dú)產(chǎn)生的，由于沒(méi)有去磁作用，端部磁密比額定工況的大。

圖5所示為不同工況下定位筋的磁密分布云圖，定位筋鴿尾部分磁密明顯大于定位筋鳩面部分，這是因?yàn)轼澪膊糠指拷ㄗ予F芯，磁場(chǎng)從鐵芯背部穿出進(jìn)入端部，最先進(jìn)入定位筋鴿尾，且越靠近端部磁密越大?？蛰d、額定負(fù)載和失磁工況，定位筋磁密最大值分別為1.615T、2.027T和1.860T。額定負(fù)載工況定位筋磁密最大，空載工況最小。

圖5 不同工況下定位筋磁密分布云圖

為了進(jìn)一步分析，在某根定位筋內(nèi)側(cè)標(biāo)記了4個(gè)測(cè)量點(diǎn)A、B、C和D，分別對(duì)應(yīng)于定子鐵芯段的中部，具體位置如圖6所示。

圖6 定位筋測(cè)量點(diǎn)示意圖

圖7~9分別給出了調(diào)相機(jī)空載、額定負(fù)載和失磁工況4個(gè)測(cè)量點(diǎn)沿著軸向、徑向和切向的磁密z、r和t空間分布曲線。

圖7 空載工況定位筋磁密空間分布曲線

圖8 額定工況定位筋磁密空間分布曲線

從圖7可以看出，空載工況時(shí)隨著定位筋軸向深度的增加，軸向磁密的幅值不斷增大，徑向磁密的幅值不斷減小，而切向磁密幅值很小，可忽略不計(jì)，各個(gè)分量磁密幅值基本位于同一電角度。測(cè)量點(diǎn)A~D的軸向磁密最大值分別為0.016T，0.081T，0.106T，0.154T，越靠近端部，軸向磁密越大。

從圖8可以看出，額定負(fù)載的磁密分布情況和空載工況的相似，隨著軸向深度的增加，定位筋內(nèi)的軸向磁密幅值不斷增大，徑向磁密幅值不斷減小。測(cè)量點(diǎn)A~D的軸向磁密最大值分別為0.066T，0.274T，0.444T，0.463T。額定負(fù)載工況軸向磁密明顯高于空載工況，且變化規(guī)律更接近于正弦波，諧波含量更小。

失磁運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁電流為零，定位筋中的磁場(chǎng)由定子繞組產(chǎn)生，結(jié)果如圖9所示。失磁工況軸向磁密的分布曲線相位與空載和額定負(fù)載工況的相反。隨著軸向深度的增加，定位筋內(nèi)的軸向磁密的幅值不斷增大。測(cè)量點(diǎn)A~D的軸向磁密其最大值分別為0.018T，0.037T，0.078T，0.099T。

圖9 失磁工況定位筋磁密空間分布曲線

根據(jù)不同工況各個(gè)磁密分量的分布曲線可以發(fā)現(xiàn)，軸向磁密遠(yuǎn)高于徑向磁密和切向磁密，軸向磁密是引起定位筋感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和局部放電的主要原因。圖10所示為不同工況各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的軸向磁密幅值對(duì)比圖。從中可以看出額定負(fù)載工況下定位筋的軸向磁密幅值明顯高于空載和失磁工況。另外，越靠近端部定位筋軸向磁密越大。

圖10 不同工況各個(gè)測(cè)量點(diǎn)軸向磁密幅值對(duì)比圖

3 不同工況定位筋感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

通過(guò)計(jì)算定位筋的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，可以獲得定位筋與定子鐵芯之間的電位差，從而為定子鐵芯與定位筋之間的放電風(fēng)險(xiǎn)提供評(píng)估依據(jù)。

通過(guò)對(duì)有限元模型中的定位筋兩端增加激勵(lì)面，接大電阻表示開(kāi)路，計(jì)算定位筋兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。定位筋中的磁場(chǎng)主要為軸向磁場(chǎng)分量，該磁場(chǎng)隨著定子電流的交變呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，因此會(huì)在定位筋中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。分別計(jì)算了調(diào)相機(jī)空載、額定負(fù)載和失磁工況下定位筋中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，結(jié)果如圖11所示。從圖中可以看出，定位筋中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)呈正弦規(guī)律變化，空載、額定負(fù)載和失磁工況的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大值分別為1.527V、2.935V和3.889V?？蛰d工況時(shí)定位筋的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最小，而失磁工況時(shí)定位筋感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大。

圖11 不同工況定位筋感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

4 結(jié)論

本文利用同步調(diào)相機(jī)端部結(jié)構(gòu)的時(shí)步有限元模型對(duì)不同工況下定位筋空間磁密分布和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行了分析，從仿真結(jié)果主要得出了以下結(jié)論：

（1）額定工況定位筋磁密最大，隨著軸向深度的增大，定位筋內(nèi)的軸向磁密幅值不斷增大，徑向磁密幅值不斷減小，切向磁密幅值幾乎為零。越靠近端部，磁密值越大，越容易在鴿尾間隙內(nèi)放電。

（2）定位筋感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)呈正弦規(guī)律變化，定位筋感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)主要由定子繞組漏磁通的軸向磁密分量所引起。額定負(fù)載和失磁工況下，定位筋感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形的相位正好反相，空載工況時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值最小。

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Comparative Study on the Inducted Electromotive Force of the Building Bar under Different Working Conditions of the Synchronous Condenser

LIU Ran1, XU Guorui1, CAO Zhiwei2, WANG Jihao2

(1. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2.Electric Power Research Institute of State Grid Shandong Electric Power Company, Jinan 250003, China)

With the rapid response of HVDC system to reactive power compensation equipment and the increasing demand for equipment capacity, large capacity and new-type synchronous condenser has been widely used.With the increase of the capacity, the leakage flux at the end of the synchronous condenser increases greatly. The leakage magnetic field in the building bar is mainly the axial magnetic density component, the magnetic field presents a rotation effect with the alternation of the stator current, so it is easy to produce large induced electromotive force in the stator core building bar, which leads to the increase of the discharge risk, thus reducing the service life of the synchronous condenser. In this paper, a three-dimensional finite element model of the end of synchronous condenser is established, and the magnetic density distribution in the building bar is calculated under the condition of no-load, rated load and loss of excitation of the condenser. The magnitude of induced electromotive force is compared and analyzed, which provides a theoretical basis for further evaluation of the discharge risk of building bar.

synchronous condenser; partial discharge; flux density distribution; building bar

TM342

A

1000-3983(2021)01-0048-06

國(guó)家電網(wǎng)公司總部科技項(xiàng)目——新型分布式調(diào)相機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究與涉網(wǎng)性能評(píng)估（XT71-19-010）

2020-07-23

劉然（1996-），現(xiàn)就讀于華北電力大學(xué)電氣工程專(zhuān)業(yè)，碩士，從事電能轉(zhuǎn)換與節(jié)能控制研究。