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      淺析60 Hz電源對火電廠主要設(shè)備的影響

      2013-04-17 13:47:49張小萍
      機(jī)電信息 2013年12期
      關(guān)鍵詞:頻率電流強(qiáng)度

      張小萍

      (山東電力工程咨詢院有限公司,山東 濟(jì)南250013)

      0 引言

      近年來,隨著我國電力企業(yè)對國外電力市場的積極開拓,其參與的國際電站工程EPC總承包項(xiàng)目越來越多,而在這些海外項(xiàng)目中遇到的一個(gè)共同問題是,國際上有些國家和地區(qū)的電網(wǎng)頻率為60 Hz,如亞洲的韓國、朝鮮、日本部分地區(qū)、菲律賓、我國臺灣,美洲的大部分國家,大洋洲的關(guān)島、塞班等。由于我國的電網(wǎng)頻率為50 Hz,因此60 Hz對火電廠項(xiàng)目中電力設(shè)備的選用提出了新的要求。火電廠中受頻率影響的設(shè)備主要為轉(zhuǎn)動機(jī)械設(shè)備和電氣設(shè)備。

      1 轉(zhuǎn)動機(jī)械設(shè)備

      1.1 汽輪機(jī)

      (1)本體。50 Hz和60 Hz機(jī)組的本體差別主要是在通流設(shè)計(jì)上,這2種通流在強(qiáng)度、振動、氣動方面的設(shè)計(jì)方法(準(zhǔn)則)是相同的,差異僅是強(qiáng)度設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速和振動設(shè)計(jì)的調(diào)頻基準(zhǔn)不同。另外,由于離心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比,為了保證相等的應(yīng)力水平,60 Hz機(jī)組的葉片長度應(yīng)比50 Hz機(jī)組的短20%,即50 Hz機(jī)組的葉片長度是60 Hz的1.2倍。轉(zhuǎn)速變化帶來的激磁頻率變化將直接影響調(diào)頻葉片的設(shè)計(jì)。由于50 Hz和60 Hz機(jī)組的差別主要在通流設(shè)計(jì)上,2種機(jī)組的本體結(jié)構(gòu)形式相同,因此在本體外形和接口上需做少量調(diào)整(60 Hz外形會縮小一些),控制系統(tǒng)中DEH軟件需改動,轉(zhuǎn)速回路和危急遮斷器需重新設(shè)置。

      (2)輔助系統(tǒng)。需驗(yàn)證軸承的穩(wěn)定性,重新計(jì)算潤滑油量,重新設(shè)計(jì)主油泵,且所有電機(jī)需使用60 Hz頻率。

      1.2 泵與風(fēng)機(jī)

      (1)轉(zhuǎn)速對機(jī)械強(qiáng)度的影響。對泵體強(qiáng)度的影響:壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比,即60 Hz下的壓力是50 Hz下的1.44倍,這對泵的強(qiáng)度有明顯影響,因此應(yīng)進(jìn)行泵的強(qiáng)度校核。對葉輪強(qiáng)度的影響:根據(jù)葉輪圓周速度的范圍,不同圓周速度對應(yīng)不同的葉輪材料。因此,應(yīng)根據(jù)規(guī)定值和相應(yīng)的圓周速度選擇合適的材料。對軸強(qiáng)度的影響:泵軸主要承受扭轉(zhuǎn)的剪切應(yīng)力,機(jī)械不平衡產(chǎn)生的徑向力、軸向力以及由這些力所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力、拉伸應(yīng)力都與轉(zhuǎn)速的平方成正比,可見轉(zhuǎn)速對泵軸的強(qiáng)度有明顯影響。若泵軸強(qiáng)度不夠,應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度校核,改用強(qiáng)度更高的軸材料。軸承壽命的校核:軸承壽命除與轉(zhuǎn)速相關(guān)外,還與當(dāng)量動負(fù)荷變化有關(guān)。在50 Hz和60 Hz下,應(yīng)注意軸承使用壽命的校核。泵軸臨界轉(zhuǎn)速的校核:為避免運(yùn)行中產(chǎn)生共振,設(shè)備頻率應(yīng)避開泵/風(fēng)機(jī)的自振頻率。

      (2)轉(zhuǎn)速對泵汽蝕的影響。汽蝕相似定律指出:進(jìn)口幾何尺寸相似的泵,在相似工況下運(yùn)行時(shí),原型和模型泵汽蝕余量之比必須等于葉輪進(jìn)口幾何尺寸平方比和轉(zhuǎn)速平方比的乘積。因此,對于相同的泵,當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時(shí),汽蝕余量隨轉(zhuǎn)速的平方成正比關(guān)系變化,即當(dāng)泵的轉(zhuǎn)速提高后,汽蝕余量必須成平方增加,這樣就使泵的抗汽蝕性能大大惡化。

      (3)轉(zhuǎn)速對泵噪聲的影響。隨著泵轉(zhuǎn)速的增大,噪聲也會增大。

      (4)轉(zhuǎn)速對泵振動的影響。對于60 Hz產(chǎn)品應(yīng)采取措施降低振動,如提高動靜平衡精度、選用較高精度的軸承等。

      總的來說,60 Hz設(shè)備的轉(zhuǎn)速是50 Hz設(shè)備的1.2倍,為保證設(shè)備安全運(yùn)行,應(yīng)根據(jù)葉輪的圓周速度進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和臨界轉(zhuǎn)速校核;如果計(jì)算值超過了允許值,應(yīng)使用具有更高強(qiáng)度的材料或降低轉(zhuǎn)速,來滿足轉(zhuǎn)速的允許值。

      2 靜止電磁感應(yīng)設(shè)備

      靜止電磁感應(yīng)設(shè)備包括變壓器、電壓互感器、電流互感器等。設(shè)電源電壓為U,由電磁感應(yīng)定律得:U=4.44f N1Φ;從公式可以看出,在電源電壓一定時(shí),60 Hz產(chǎn)品的鐵心截面小于50 Hz產(chǎn)品。

      頻率對變壓器的勵磁電流、鐵損、電抗、溫升等都有影響,因此頻率的變化直接影響到變壓器的設(shè)計(jì),如繞組匝數(shù)和鐵心直徑的選擇。而這些參數(shù)的變化又直接影響到變壓器性能參數(shù),如空載損耗、負(fù)載損耗、勵磁電流等。變壓器鐵心直徑的選擇將影響到用鐵量和用銅量的相對多少,從而直接影響成本的高低。

      3 轉(zhuǎn)動電磁感應(yīng)設(shè)備

      3.1 發(fā)電機(jī)

      電磁式同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)首先依據(jù)發(fā)電機(jī)容量、轉(zhuǎn)速、材料性能和環(huán)境條件,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇適當(dāng)?shù)碾姶咆?fù)荷As、Bδ,再進(jìn)一步確定其主要尺寸及參數(shù)。

      臨界轉(zhuǎn)速的影響:高速轉(zhuǎn)動機(jī)械設(shè)備在啟動過程中都有一個(gè)臨界轉(zhuǎn)速的問題,在臨界轉(zhuǎn)速時(shí),轉(zhuǎn)動機(jī)械將會產(chǎn)生較大振幅的共振,所以在正常運(yùn)行時(shí)必須避開臨界轉(zhuǎn)速。

      對發(fā)電機(jī)機(jī)械特性變化可能發(fā)生的影響:發(fā)電機(jī)機(jī)械特性中,如轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速,扭振頻率,定子機(jī)座、鐵心、繞組端部等的共振頻率若與額定運(yùn)行頻率及其倍頻接近,將引起較大振動或運(yùn)行安全情況變化對振動敏感的問題。

      轉(zhuǎn)速增高,轉(zhuǎn)子應(yīng)力水平將加大,這時(shí)可以采用機(jī)械性能更高的材料來滿足設(shè)計(jì)要求;為降低鐵心損耗,可以選用損耗小的硅鋼片;針對振動增加的問題,可以通過良好的轉(zhuǎn)子動平衡將轉(zhuǎn)子不平衡量控制到最小,從而使振動值降到最低。

      如為空冷發(fā)電機(jī),還應(yīng)考慮風(fēng)機(jī)的空冷效果。根據(jù)風(fēng)機(jī)的比例定律:同一臺風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、揚(yáng)程和軸功率分別與轉(zhuǎn)速的一次方、二次方、三次方成正比。60 Hz周波的汽輪發(fā)電機(jī)由于轉(zhuǎn)速高,所以在相同條件下風(fēng)量比50 Hz周波的汽輪發(fā)電機(jī)高20%,通風(fēng)情況比50 Hz周波的好,但機(jī)械應(yīng)力也比50 Hz周波的高。

      3.2 電動機(jī)

      高壓電動機(jī)包括較高參數(shù)的泵與風(fēng)機(jī)的電動機(jī),低壓電動機(jī)包括電動閥門、電動葫蘆、卷揚(yáng)機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電動機(jī)。異步電動機(jī)定子電路電壓U1=-E1+I(xiàn)1Z1,而E1=4.44f1N1ФmK1,(K1為定子繞組系數(shù)),忽略定子阻抗壓降時(shí)為U1≈E1=4.44f1N1ФmK1。從公式可以看出,60 Hz產(chǎn)品的鐵心截面小于50 Hz產(chǎn)品。電源頻率的變化,影響到電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩、承載能力、轉(zhuǎn)速、輸出功率、運(yùn)行效率及發(fā)熱情況等。

      4 配電裝置

      發(fā)電廠中的高壓電器包括斷路器、負(fù)荷開關(guān)、隔離開關(guān)、避雷器、熔斷器等設(shè)備,其中頻率對斷路器的影響最大。

      4.1 額定電壓與額定絕緣水平

      工頻對工作電壓下的某些絕緣性能有影響,以介質(zhì)損耗為例,60 Hz工頻下的容抗較50 Hz工頻下的小,介損tgδ會增加,這在使用時(shí)應(yīng)注意。額定絕緣水平用對應(yīng)的額定雷電沖擊耐受電壓表示,雷電沖擊電壓是很陡的沖擊電壓波,與頻率無關(guān)。

      4.2 額定電流和溫升

      額定電流主要由主導(dǎo)電回路發(fā)熱、散熱情況及其零部件允許溫度來決定。其中,頻率對電阻性損耗發(fā)熱影響不大,50 Hz和60 Hz的試驗(yàn)結(jié)果可互用;而對于鋼鐵件的鐵磁損耗發(fā)熱來說,其工頻頻率越高,磁通及趨膚效應(yīng)越大,渦流損耗越大,當(dāng)某些采用鋼鐵外殼或大型鐵磁零件的50 Hz高壓電器用于60 Hz電網(wǎng)時(shí),鐵磁損耗會顯著增加,發(fā)熱隨之增加,溫升也會提高。IEC62271第6.5.2款中對溫升試驗(yàn)的允許頻率偏差為+2%~-5%,但同時(shí)也說明對鄰近載流部分沒有鐵質(zhì)元件的敞開式開關(guān)裝置在50 Hz下進(jìn)行溫升試驗(yàn)時(shí),如果實(shí)測的溫升值不超過最大允許值的95%,則應(yīng)當(dāng)認(rèn)為該開關(guān)裝置在60 Hz下的性能得到了驗(yàn)證。

      4.3 額定短時(shí)耐受電流、額定峰值耐受電流及額定關(guān)合電流

      額定短時(shí)耐受電流是指在規(guī)定條件下和短時(shí)間內(nèi),開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備在合閘位置能承載的電流有效值。由于時(shí)間短,可以看作是絕熱過程,因此對主回路導(dǎo)體來說只考慮自身發(fā)熱。工頻變化對導(dǎo)體載流發(fā)熱影響不大,50 Hz和60 Hz的試驗(yàn)結(jié)果可互用。

      額定峰值耐受電流與額定關(guān)合電流數(shù)值是一致的,兩電流都是由交流分量和直流分量組成。50 Hz和60 Hz最大峰值電流因半波時(shí)間不一致而略有差別,50 Hz半波時(shí)間為10 ms,60 Hz為8.3 ms。根據(jù)IEC62271第6.6條規(guī)定,短時(shí)電流試驗(yàn)允許頻率偏差為±10%;但同時(shí)說明為了便于試驗(yàn),可能需要更大的頻率偏差,如果偏差顯著,即如選擇額定頻率為50 Hz的開關(guān)設(shè)備并控制設(shè)備在60 Hz下試驗(yàn)或反之,則在解釋試驗(yàn)結(jié)果時(shí)應(yīng)予以注意。另根據(jù)IEC62271第4.6條規(guī)定,50 Hz系統(tǒng)中,設(shè)備的峰值耐受電流是短時(shí)耐受電流的2.5倍,而60 Hz系統(tǒng)中,設(shè)備的峰值耐受電流是短時(shí)耐受電流的2.6倍,這對設(shè)備參數(shù)提出了更高的要求。

      4.4 斷路器短路故障的關(guān)合和開斷

      50 Hz和60 Hz的半波時(shí)間從10 ms縮短到8.3 ms,三相系統(tǒng)每隔60°依次過零一次,兩次連續(xù)過零間隔時(shí)間由3.3 ms縮短到2.8 ms。如將50 Hz產(chǎn)品應(yīng)用到60 Hz系統(tǒng)中,最小允許開斷時(shí)間、燃弧區(qū)間、最大開斷時(shí)間(均以半波數(shù)表示)等特性都保持不變的話,則必須進(jìn)一步提高斷路器開斷時(shí)的弧隙介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度,如提高分閘速度、縮短分閘時(shí)間、提高分合閘同期性、提高SF6氣體壓力等,否則就要根據(jù)斷路器而異,在開斷電流、開斷時(shí)間及開斷特性方面會有一定程度的犧牲。且在60 Hz時(shí),盡管半波電流通流時(shí)間有所降低(電流有效值不變),但電弧電流過零的電流變化率(d i/d t)有所提高,這就增加了過零開斷的難度。

      5 熱工電氣測量保護(hù)設(shè)備

      5.1 與采樣頻率相關(guān)的繼電保護(hù)

      與采樣頻率相關(guān)的繼電保護(hù)包括全電廠范圍內(nèi)的繼電保護(hù)設(shè)備,如與中壓開關(guān)柜配套的保護(hù)裝置、與高壓輸配電相關(guān)的線路保護(hù)及變壓器、發(fā)電機(jī)等的設(shè)備保護(hù)裝置等。

      對于繼電保護(hù)設(shè)備,與頻率相關(guān)的除了電源模塊(與設(shè)備電源頻率相關(guān))外,主要是模擬量的采樣(與電網(wǎng)頻率相關(guān))、故障錄波和相關(guān)頻率值的設(shè)定等。保護(hù)設(shè)備中的交流插件上設(shè)有模擬量輸入變換器,用于將二次交流電壓或電流信號隔離變換為小電壓信號,經(jīng)調(diào)整后輸入到A/D,并通過采樣與保持電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。這些測量值通過不同的采樣頻率獲得。如果50 Hz電網(wǎng)的采樣頻率為800 Hz,則60 Hz的采樣頻率為960 Hz,即50 Hz電網(wǎng)每1.25 ms采樣一次,而60 Hz系統(tǒng)每1.04 ms采樣一次。對于故障錄波,60 Hz的記錄時(shí)間將快于50 Hz。對于某些相關(guān)頻率保護(hù)的設(shè)定,也需按照當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)頻率來進(jìn)行。

      因此,繼電保護(hù)類產(chǎn)品在硬件上(除電源部分外)沒有差異,只是軟件的采樣處理需要修改,保護(hù)原理上是沒有差異的,型式試驗(yàn)也沒有特殊要求。

      5.2 DCS與各種分析儀表

      對于DCS與各種分析儀表,與頻率相關(guān)的主要是設(shè)備的電源部分;對于電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)等,受頻率影響的也只是在設(shè)備的電源部分,且現(xiàn)在的產(chǎn)品多為50 Hz、60 Hz通用產(chǎn)品。

      5.3 應(yīng)急裝置

      應(yīng)急裝置包括UPS電源模塊、直流系統(tǒng)等。與頻率相關(guān)的部分為電源模塊,一般都可接受60 Hz電源。對于鉛酸蓄電池,其為直流電壓系統(tǒng),即對電池進(jìn)行充電和放電時(shí)均為直流電,所以不涉及頻率問題,只要充放電設(shè)備可以接受不同頻率即可,與蓄電池沒有關(guān)系。

      6 結(jié)語

      目前,針對60 Hz火電站項(xiàng)目,大多制造廠遇到的問題是設(shè)備試驗(yàn)問題,例如,對泵和風(fēng)機(jī)制造廠來說,很多廠家都不具備60 Hz試驗(yàn)電源;對電氣設(shè)備而言,大部分廠家無法提供60 Hz型式試驗(yàn)報(bào)告和60 Hz廠內(nèi)試驗(yàn)報(bào)告,只能用50 Hz試驗(yàn)報(bào)告來代替。但隨著制造廠技術(shù)的不斷開發(fā)和越來越多的產(chǎn)品銷往海外,對我國主流設(shè)備制造廠來說,頻率問題將不再是問題。

      [1]趙文學(xué).60 Hz發(fā)電設(shè)備出口的可行性研究[J].西北電力技術(shù),2003(4)

      [2]王晉根.50 Hz高壓電器兼用于60 Hz電網(wǎng)的有關(guān)技術(shù)問題探討[J].高壓電器,2000(5)

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