反思低轉(zhuǎn)速大型水輪發(fā)電機(jī)定子繞組形式的選擇

桂 林，鐸 良，楊忠國，邱阿瑞，王祥珩

(1.清華大學(xué)電機(jī)系電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，德陽 618000；3.天津阿爾斯通水電設(shè)備有限公司，天津 300400)

前言

現(xiàn)階段，多分支大型水輪發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置方案的設(shè)計(jì)多在內(nèi)部短路分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，經(jīng)定量化設(shè)計(jì)過程來完成。由于水輪發(fā)電機(jī)定子繞組形式的選擇較靈活，對(duì)于同一臺(tái)發(fā)電機(jī)，疊繞組和波繞組（有“全波繞組”和“半波繞組”之分，兩者的連接方式有所不同）均可能采用[1-2]，而不同定子繞組形式所決定的發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障特點(diǎn)是不一樣的，使得某些繞組形式的發(fā)電機(jī)難以取得令人滿意的保護(hù)性能；特別是近年來出于抑制轉(zhuǎn)子偏心振動(dòng)的目的，某些低轉(zhuǎn)速大型水輪發(fā)電機(jī)采用或改用集中布置的疊繞組或“半波繞組”，雖有利于改善發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行質(zhì)量，但對(duì)由此帶來的發(fā)電機(jī)主保護(hù)性能的變化則注意不夠，將給發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行帶來隱患。

本文以糯扎渡 DEC（6×650MW）、梨園（4×600MW）和觀音巖TAH（3×600MW）發(fā)電機(jī)主保護(hù)設(shè)計(jì)為例，通過定子繞組形式的合理選擇，減少短路匝數(shù)/每分支線圈數(shù)小于5%的同相同分支匝間短路故障數(shù)，在電機(jī)設(shè)計(jì)階段就為主保護(hù)性能的提高做準(zhǔn)備。

1 不同繞組形式發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障特點(diǎn)及主保護(hù)性能的分析對(duì)比[3-8]

糯扎渡DEC發(fā)電機(jī)48極，定子槽數(shù)為576，每相8分支，發(fā)電機(jī)定子繞組原選擇整數(shù)槽（q=4）“全波繞組”，如圖1（a）所示，后改用整數(shù)槽（q=4）“半波繞組”，如圖1（b）所示。

圖1 糯扎渡DEC發(fā)電機(jī)可能采用的定子繞組示意圖

基于DEC提供的發(fā)電機(jī)定子繞組接線圖，設(shè)計(jì)變更前后發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障數(shù)及變化對(duì)比如表1所示。對(duì)于采用“全波繞組”的糯扎渡DEC發(fā)電機(jī)，內(nèi)部故障中不存在小匝數(shù)同相同分支匝間短路；而改用“半波繞組”之后，小匝數(shù)同相同分支匝間短路在內(nèi)部故障中也就占有了一定比率。

表1 糯扎渡DEC、梨園和觀音巖TAH發(fā)電機(jī)實(shí)際可能發(fā)生的同槽和端部交叉故障

圖2 糯扎渡DEC發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障主保護(hù)及TA配置推薦方案

由于糯扎渡DEC發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障中小匝數(shù)匝間短路數(shù)的增加，使得圖2所示主保護(hù)配置方案（均由零序電流型橫差、完全裂相橫差和完全縱差保護(hù)構(gòu)成），對(duì)于設(shè)計(jì)變更前的糯扎渡DEC發(fā)電機(jī)，保護(hù)死區(qū)僅為0.06%；而對(duì)于采用“半波繞組”的糯扎渡DEC發(fā)電機(jī)，保護(hù)死區(qū)則增大到1.09%；倘若定子繞組形式變更為疊繞組，則保護(hù)死區(qū)必將隨著小匝數(shù)匝間短路數(shù)的增加而進(jìn)一步增大，這從梨園和觀音巖TAH發(fā)電機(jī)主保護(hù)性能的對(duì)比中可以清楚地看出。

梨園發(fā)電機(jī)64極，定子槽數(shù)為720，每相8分支，采用分?jǐn)?shù)槽（q=15/4）疊繞組，如圖3（a）所示；觀音巖TAH發(fā)電機(jī)66極，定子槽數(shù)為594，每相6分支，采用整數(shù)槽（q=3）“全波繞組”，如圖3（b）所示?；谔彀⑻峁┑陌l(fā)電機(jī)定子繞組接線圖，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路數(shù)及對(duì)比如表1所示。

從表1的對(duì)比中可以看出，采用“全波繞組”的觀音巖TAH發(fā)電機(jī)，小匝數(shù)同相同分支匝間短路在同槽和端部故障中都不存在，而對(duì)于采用疊繞組的梨園發(fā)電機(jī)而言，則小匝數(shù)同相同分支匝間短路所占比率較大，將嚴(yán)重影響主保護(hù)方案的性能。

以至于采用圖2（b）所示主保護(hù)配置方案，梨園發(fā)電機(jī)不能動(dòng)作故障數(shù)占內(nèi)部故障總數(shù)的比率高達(dá)13.7%，不能動(dòng)作故障類型都是同相同分支匝間短路，且故障位置多在繞組端部；而采用類似圖2（a）所示主保護(hù)配置方案的觀音巖TAH發(fā)電機(jī)，不僅沒有保護(hù)死區(qū)，且對(duì)全部10089種內(nèi)部短路有原理不同的兩種及以上主保護(hù)靈敏動(dòng)作。

圖3 梨園和觀音巖TAH發(fā)電機(jī)定子繞組示意圖

2 從電機(jī)設(shè)計(jì)的角度簡析集中布置繞組發(fā)電機(jī)抑制轉(zhuǎn)子偏心振動(dòng)的能力[7]

由于現(xiàn)場安裝水平有限，在吊裝大型水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)，往往都會(huì)發(fā)生一定程度的偏心現(xiàn)象；而采用不同的發(fā)電機(jī)定子繞組形式及連接方式時(shí)，轉(zhuǎn)子偏心對(duì)同相各支路平衡性的影響又是不一樣的。

若定子繞組為圖4（a）所示集中布置的疊繞組，則影響最大；若為每分支沿定子內(nèi)圓360o分布布置的“全波繞組”，如圖4（c）所示，則氣隙偏移對(duì)各支路沒影響；氣隙偏移對(duì)圖4（b）所示同為集中布置的“半波繞組”各支路的影響，則介于疊繞組和“全波繞組”之間。電機(jī)設(shè)計(jì)理論[1]及仿真結(jié)果[8]也都驗(yàn)證了上述觀點(diǎn)。

圖4 每相4分支水輪發(fā)電機(jī)定子繞組分布示意圖

而上述集中布置的兩種繞組形式恰恰是利用轉(zhuǎn)子偏心產(chǎn)生的分支環(huán)流來抵消氣隙不均勻引起的磁拉力，又將發(fā)生偏心的轉(zhuǎn)子“推回”中心位置，這也是近年來某些低轉(zhuǎn)速的大型水輪發(fā)電機(jī)仍然采用或改用集中布置繞組的主要原因。下面以一臺(tái)聯(lián)網(wǎng)帶載兩極發(fā)電機(jī)的定性分析和一臺(tái)700MW水輪發(fā)電機(jī)的現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果為例進(jìn)行說明。

圖5兩極發(fā)電機(jī)定子繞組用等效的集中線圈代表，假定轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)子中心由O點(diǎn)偏移至O1點(diǎn)，圖示瞬間定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢達(dá)到最大且其方向如圖所示；由于發(fā)電機(jī)帶的多是感性負(fù)載，當(dāng)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)過90o電角度至圖中虛線磁極所示位置時(shí)，定子繞組中的電流才達(dá)到最大，方向如圖5所示。此時(shí)定子電流產(chǎn)生的磁鏈方向與轉(zhuǎn)子磁鏈方向相反，使得圖中虛線所示N、S極的受力方向相反；由于S極下的氣隙較N極小，勢必又把轉(zhuǎn)子“推回”中心位置。

圖5 轉(zhuǎn)子偏心對(duì)集中布置繞組支路平衡性的影響

某700MW水輪發(fā)電機(jī)（采用分?jǐn)?shù)槽“半波繞組”，每個(gè)分支繞電機(jī)內(nèi)圓約1/3圈）單機(jī)空載時(shí)機(jī)組振動(dòng)的實(shí)測結(jié)果也驗(yàn)證了上述觀點(diǎn)。對(duì)比每相并聯(lián)分支打開和再次連上時(shí)機(jī)組的振動(dòng)情況，則前者較后者明顯加劇，氣隙最大偏移量也從后者的零點(diǎn)幾毫米增大為前者的1.8mm。

3 合理選擇發(fā)電機(jī)定子繞組形式，兼顧電機(jī)設(shè)計(jì)和繼電保護(hù)的要求

在不顯著降低主保護(hù)配置方案性能的前提下，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)引出方式及分支分組必須考慮電機(jī)設(shè)計(jì)和制造是否方便，是否有利于減少保護(hù)方案的構(gòu)成和所需的硬件投資。

但是對(duì)于低轉(zhuǎn)速的梨園發(fā)電機(jī)而言，由于其保護(hù)死區(qū)過大，不得不在天阿電機(jī)設(shè)計(jì)人員的配合之下（調(diào)整了發(fā)電機(jī)每分支機(jī)端和中性點(diǎn)的出線位置），改變了發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)引出方式和分支TA的布置（如圖6所示），采用“3-2-3”的中性點(diǎn)引出方式，并在每相上裝設(shè)3個(gè)分支TA，以增設(shè)主保護(hù)方案來進(jìn)一步減小保護(hù)死區(qū)，使得圖6所示主保護(hù)配置方案的保護(hù)死區(qū)減小為9.7%，相比于原主保護(hù)配置方案，保護(hù)死區(qū)雖有所減小但收效不大，且增加了發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)銅環(huán)布置和TA安裝的難度，增加的主保護(hù)方案必將加重保護(hù)裝置的負(fù)擔(dān)，可能引發(fā)CPU工作的不穩(wěn)定（負(fù)荷率太高），又將影響到保護(hù)裝置的正常工作。

圖6 梨園發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障主保護(hù)及TA配置推薦方案（相鄰連接，123-45-678）

綜上所述，對(duì)于低轉(zhuǎn)速的大型水輪發(fā)電機(jī)，若采用疊繞組，則其線圈連接方式?jīng)Q定同相同分支匝間短路必然存在，并且轉(zhuǎn)速越低，對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)和定子槽數(shù)必將增加，小短路匝比問題愈發(fā)突出（因?yàn)槊糠种Ь€圈數(shù)逐漸增多），僅僅依靠主保護(hù)的定量化設(shè)計(jì)難以取得令人滿意的保護(hù)性能，因?yàn)槌Ｓ弥鞅Ｗo(hù)方案均不反應(yīng)小匝數(shù)匝間短路。

行之有效的解決措施是通過與電機(jī)廠的合作，有針對(duì)性地選擇發(fā)電機(jī)的定子繞組形式，同時(shí)滿足電機(jī)設(shè)計(jì)和繼電保護(hù)的需求。對(duì)于低轉(zhuǎn)速的大型水輪發(fā)電機(jī)應(yīng)優(yōu)先選擇“半波繞組”，在滿足電機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性要求和抑制轉(zhuǎn)子偏心振動(dòng)的同時(shí)，于繞組設(shè)計(jì)階段就力求減少繼電保護(hù)的動(dòng)作死區(qū)，這是因?yàn)榫汀鞍氩ɡ@組”而言，其小匝數(shù)同相同分支匝間短路僅存在于繞向相反的線圈之間，數(shù)量有限，且通過調(diào)整“半波繞組”分支電勢的構(gòu)成方式還可進(jìn)一步減少小匝數(shù)匝間短路所占的比率，以進(jìn)一步提高主保護(hù)配置方案的性能。

其次，在“半波繞組”發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置方案中有目的地保留完全縱差保護(hù)，以區(qū)分主保護(hù)動(dòng)作的原因是轉(zhuǎn)子偏心振動(dòng)還是內(nèi)部短路；當(dāng)機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測裝置顯示上導(dǎo)軸承的擺度及氣隙同心度等均未超標(biāo)，橫差保護(hù)動(dòng)作完全而縱差保護(hù)未動(dòng)作（不反應(yīng)分支不平衡電流）時(shí)，則可判斷事故為轉(zhuǎn)子偏心振動(dòng)引起，這在鳳灘（2×200MW）、彭水（5×350MW）等電站已得到證實(shí)，大大減少了故障檢修的時(shí)間。

4 結(jié)語

（1）低轉(zhuǎn)速大型水輪發(fā)電機(jī)應(yīng)優(yōu)先選擇“半波繞組”，既抑制了轉(zhuǎn)子偏心振動(dòng)，又改善了主保護(hù)方案的性能，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)設(shè)計(jì)和主保護(hù)設(shè)計(jì)的“雙贏”。

（2）發(fā)電機(jī)定子繞組形式的選擇應(yīng)兼顧電機(jī)設(shè)計(jì)和繼電保護(hù)的要求，為發(fā)電機(jī)主保護(hù)性能的顯著提高創(chuàng)造條件。

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