周精明，管 醇

（1.廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，廣西 桂平 537226；2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司桃源縣供電分公司，湖南 常德 415700）

1 概述

隨著單機(jī)容量增大，大型水輪發(fā)電機(jī)的定子繞組普遍采用每相多分支繞組結(jié)構(gòu)。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，任何發(fā)電機(jī)都或多或少存在轉(zhuǎn)子偏心或轉(zhuǎn)子不圓等原因?qū)е碌臍庀恫痪鶆颥F(xiàn)象，尤其對(duì)于轉(zhuǎn)速低、定子內(nèi)徑大的水輪發(fā)電機(jī)，此類現(xiàn)象較明顯。何玉靈 等[1]分析了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子傾斜偏心故障前后的定子繞組相電流，推導(dǎo)出正常情況和轉(zhuǎn)子傾斜偏心故障下的氣隙磁通密度，得到定子繞組相電流的解析表達(dá)式。任杰 等[2]為計(jì)算轉(zhuǎn)子偏心時(shí)的空載氣隙磁場,提出基于等效變換的解析計(jì)算方法。諸嘉慧等[3]通過多回路分析計(jì)算,獲得了不同轉(zhuǎn)子偏心率下橫差零序電流。本文基于某水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心的實(shí)際案例,利用有限元分析軟件仿真分析了不同工況下中性點(diǎn)電流的變化，得出轉(zhuǎn)子偏心會(huì)導(dǎo)致水輪發(fā)電機(jī)空載時(shí)中性點(diǎn)各支路內(nèi)出現(xiàn)環(huán)流，偏心程度與中性點(diǎn)零序橫差電流數(shù)值密切相關(guān)的結(jié)論，可為大型水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行維護(hù)提供理論依據(jù)。

2 研究對(duì)象和分析方法

2.1 研究對(duì)象

某水輪發(fā)電機(jī)容量為228.6 MVA，定子為雙層條式波繞組，每相采用4 個(gè)支路Y 形連接結(jié)構(gòu)[4]，水輪發(fā)電機(jī)基本參數(shù)如表1 所示。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)每相每個(gè)支路配置電流互感器采集支路電流（TA3-TA6），其中每相支路1、支路3 電流和為分支1 電流（TA1），每相支路2、支路4電流和為分支2電流（TA2)；兩個(gè)中性點(diǎn)連線上配置電流互感器采集零序橫差電流（TA0）。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)CT 配置圖如圖1 所示。

圖1 發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)CT 配置圖

表1 水輪發(fā)電機(jī)基本參數(shù)

2.2 運(yùn)行監(jiān)測及分析方法

為實(shí)時(shí)分析水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心情況，分別設(shè)置相關(guān)傳感器針對(duì)定轉(zhuǎn)子各個(gè)方向（每隔60°取一個(gè)測量點(diǎn)）的氣隙進(jìn)行在線監(jiān)測，氣隙實(shí)測數(shù)據(jù)如表2 所示。由于水輪發(fā)電機(jī)磁極是凸極形式，設(shè)計(jì)磁極中間最小氣隙為δmin=23 mm，極弧邊沿最大氣隙為δmax=34.5 mm，測量值基本在此范圍內(nèi)。此外，GB/T 7894-2009《水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件》中規(guī)定：中、低速大容量水輪發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子間氣隙的最大值或最小值與其平均值之差應(yīng)不超過平均值的±8%[5]，因此初步判斷氣隙存在不均勻，且不均勻程度較大，超過了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定數(shù)值。

表2 水輪發(fā)電機(jī)氣隙實(shí)測數(shù)據(jù)

3 仿真分析

采用電磁場有限元法，建立2D 全模型，按GB/T 7894-2009《水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件》中的規(guī)定，對(duì)轉(zhuǎn)子偏心8%×δmin時(shí)的情況進(jìn)行了仿真分析，計(jì)算模型如圖2 所示，空載耦合電路模型如圖3所示，負(fù)載電路模型類似。仿真工況為空載和額定負(fù)載工況，為模擬真實(shí)情況，在中性點(diǎn)側(cè)放置了電阻以提取中性點(diǎn)處的電流，TA0-TA6 對(duì)應(yīng)圖1 中各支路的CT。

圖2 2D 計(jì)算模型

圖3 耦合電路模型（空載）

4 結(jié)果與分析

4.1 空載工況

4.1.1 不偏心情況

為對(duì)比分析，首先對(duì)空載工況轉(zhuǎn)子不偏心情況進(jìn)行了仿真分析，此時(shí)空載磁場及氣隙磁密波形如圖4、圖5 所示，各支路電流、中性點(diǎn)1、2 分支電流以及橫差零序電流波形如圖6～圖8 所示，可見理想狀態(tài)時(shí)各支路幾乎沒有環(huán)流，中性點(diǎn)無電流。

圖4 不偏心時(shí)的空載磁場

圖5 不偏心時(shí)的氣隙中間磁密

圖6 U 相各支路環(huán)流（不偏心時(shí)）

圖7 U 相中性點(diǎn)1、2 分支電流（不偏心時(shí)）

圖8 橫差零序電流（不偏心時(shí)）

4.1.2 偏心情況

對(duì)空載工況轉(zhuǎn)子偏心8%情況進(jìn)行了仿真分析，此時(shí)空載磁場及氣隙磁密波形如圖9、圖10 所示，各支路電流、中性點(diǎn)1、2 分支電流以及橫差零序電流波形如圖11～圖13 所示，可見偏心時(shí)各支路出現(xiàn)環(huán)流，且中性點(diǎn)1 分支的環(huán)流為其中兩個(gè)支路之和，2 分支的環(huán)流為另外兩支路之和，其大小基本相等，相位相反。

圖9 偏心時(shí)的空載磁場

圖10 偏心時(shí)的氣隙中間磁密

圖11 U 相各支路環(huán)流（偏心時(shí)）

圖12 U 相中性點(diǎn)1、2 分支電流（偏心時(shí)）

圖13 橫差零序電流（偏心時(shí)）

4.2 額定工況

對(duì)額定工況轉(zhuǎn)子偏心8%情況進(jìn)行了仿真分析，此時(shí)負(fù)載磁場及氣隙磁密波形如圖14、圖15 所示，各支路電流、中性點(diǎn)1、2 分支電流以及橫差零序電流波形如圖16～圖18 所示，可見偏心時(shí)各支路電流出現(xiàn)不平衡，中性點(diǎn)1 分支與2 分支電流約為2倍支路電流，相位相同。

圖14 偏心時(shí)的負(fù)載磁場

圖15 偏心時(shí)的氣隙中間磁密

圖16 U 相各支路環(huán)流

圖17 U 相中性點(diǎn)1、2 分支電流

圖18 橫差零序電流

5 結(jié)論

實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，任何發(fā)電機(jī)都或多或少存在轉(zhuǎn)子偏心或轉(zhuǎn)子不圓等原因?qū)е碌臍庀恫痪鶆颥F(xiàn)象，尤其對(duì)于轉(zhuǎn)速低、定子內(nèi)徑大的水輪發(fā)電機(jī)，此類現(xiàn)象較明顯。且隨著運(yùn)行時(shí)間和啟停次數(shù)的累計(jì)等因素，定轉(zhuǎn)子間氣隙會(huì)較安裝調(diào)試時(shí)有所變化并趨于穩(wěn)定。結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)、現(xiàn)象和仿真分析結(jié)果可得出如下結(jié)論：

（1）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心造成氣隙不均勻，會(huì)導(dǎo)致水輪發(fā)電機(jī)空載時(shí)中性點(diǎn)各支路內(nèi)出現(xiàn)環(huán)流，偏心程度與中性點(diǎn)零序橫差電流數(shù)值密切相關(guān)；

（2）在空載時(shí)，環(huán)流在各支路內(nèi)部流通形成回路，因此各支路的電流方向自然相反（即反相位）；在負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流由主引線（高電位）流向中性點(diǎn)引線（低電位），此時(shí)所有支路電流方向相同（即同相位）。