汽輪發(fā)電機(jī)負(fù)序能力分析計(jì)算

欒慶偉，李金香，韓 毅

（哈爾濱大電機(jī)研究所，黑龍江哈爾濱 150040）

0 引言

隨著汽輪發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的不斷增加，各部分電磁負(fù)荷和熱負(fù)荷以及各部分的溫升也會(huì)增加，無疑會(huì)影響發(fā)電機(jī)的使用壽命和運(yùn)行可靠性。正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)的定子電流為一穩(wěn)態(tài)的正序電流—三相對(duì)稱的正弦交流電流，由此對(duì)稱正序電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)為以同步速度旋轉(zhuǎn)的正序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)發(fā)生不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，定子繞組中將會(huì)產(chǎn)生負(fù)序電流。該負(fù)序電流所產(chǎn)生的負(fù)序磁場(chǎng)同樣以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，但與正序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向相反。因而，以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子將以2倍同步轉(zhuǎn)速切割該負(fù)序磁場(chǎng)，在勵(lì)磁繞組、阻尼繞組以及轉(zhuǎn)子本體中感應(yīng)出2倍工頻的負(fù)序電流。負(fù)序電流在發(fā)電機(jī)中將引起附加熱損耗，發(fā)熱將較為嚴(yán)重。故轉(zhuǎn)子槽楔及接頭、護(hù)環(huán)、外剛體容易燒毀，因此研究發(fā)電機(jī)的負(fù)序能力是十分必要的。

1 發(fā)電機(jī)的負(fù)序能力

國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 7064—2002《透平型同步電機(jī)技術(shù)要求》對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)承受負(fù)序電流的能力（以下簡稱負(fù)序能力）作了規(guī)定（如表1所示）。標(biāo)準(zhǔn)分為兩部分。一是穩(wěn)態(tài)負(fù)序能力，指發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)行方式下，所能長期承受負(fù)序電流的能力。它主要決定于轉(zhuǎn)子絕緣材料長期允許的最高溫度，并以負(fù)序電流的標(biāo)么值I2／IN表示。另一個(gè)是暫態(tài)負(fù)序能力，指發(fā)電機(jī)發(fā)生不對(duì)稱故障及單相重合閘操作時(shí)，所能承受的短時(shí)負(fù)序電流的能力。它取決于轉(zhuǎn)子表面各結(jié)構(gòu)件的溫度及它們的耐溫特性，如表2所示（JB／T 8445—1996《三相同步電機(jī)負(fù)序電流承受能力試驗(yàn)方法》）。以（I2／IN）2t表示，其中t為故障運(yùn)行時(shí)間（s）。

表1 不平衡負(fù)載運(yùn)行限值

表2 轉(zhuǎn)子各結(jié)構(gòu)件允許最高溫度

2 計(jì)算方法

以一臺(tái)150MW汽輪發(fā)電機(jī)為例，對(duì)該汽輪發(fā)電機(jī)的負(fù)序能力進(jìn)行分析。采用有限元方法計(jì)算轉(zhuǎn)子表面渦流損耗，轉(zhuǎn)子有限元剖分網(wǎng)格模型如圖1所示。由于負(fù)序電磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子上透入深度較小，考慮這一特點(diǎn)，用表面阻抗概念處理成平面問題。考慮到轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)稱及重復(fù)的特點(diǎn)，忽略端部效應(yīng)后可取有效部分兩橫向槽之間區(qū)域的一半，和一個(gè)極距范圍的轉(zhuǎn)子表面作為求解區(qū)。為了簡化成二維問題，將橫向槽折轉(zhuǎn)90°，使其側(cè)面與轉(zhuǎn)子表面保持在一個(gè)平面內(nèi)，渦流損耗求解場(chǎng)域如圖2所示。采用矢量電位→—T作為分析變量，用有限元法進(jìn)行求解，即可求出渦流損耗分布。

以負(fù)序渦流場(chǎng)算得的負(fù)序損耗為熱源，根據(jù)傳熱原理可計(jì)算轉(zhuǎn)子的溫度分布。為了簡化，假定轉(zhuǎn)子軸向均勻，因此可只考慮轉(zhuǎn)子的橫截面，并且考慮到大齒區(qū)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，只要計(jì)算半個(gè)大齒區(qū)就足夠了，溫度場(chǎng)求解域如圖3所示。

圖3 溫度場(chǎng)求解域

根據(jù)電機(jī)定子內(nèi)圓散熱系數(shù)計(jì)算及通風(fēng)冷卻的經(jīng)驗(yàn)，確定轉(zhuǎn)子表面散熱系數(shù)為250W／℃·m2，并假定大齒和小齒交界處的溫度為100℃，轉(zhuǎn)子表面的初始溫度為70℃，轉(zhuǎn)子表面風(fēng)溫為55℃。

3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述方法對(duì)該發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)負(fù)序溫度和瞬態(tài)負(fù)序溫度進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果穩(wěn)態(tài)負(fù)序最高溫度為95.3℃，瞬態(tài)負(fù)序最高溫度為336℃，穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)損耗分布和溫度分布分別如圖4，圖5所示。穩(wěn)態(tài)負(fù)序電流為10%時(shí)，最高溫度為95.3℃，在阻尼槽楔上；瞬態(tài)負(fù)序?yàn)椋?0s時(shí)，最高溫度為336℃，在阻尼槽楔（不銹鋼）和轉(zhuǎn)子交接處且在極中心側(cè)。與表2對(duì)比可知，穩(wěn)態(tài)負(fù)序能力可以滿足相關(guān)要求，瞬態(tài)負(fù)序能力不能滿足相關(guān)要求（參考表2中的合金鋼）。由于瞬態(tài)負(fù)序損耗過大，導(dǎo)致瞬態(tài)負(fù)序溫升局部過高。需要說明的是該計(jì)算中未考慮齒諧波和高次諧波的影響。若考慮這些諧波的影響，其溫度會(huì)有所升高。

由于瞬態(tài)負(fù)序能力不能滿足相關(guān)要求，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中可以適當(dāng)考慮增加轉(zhuǎn)子大齒上阻尼條數(shù)量，以及橫向槽深度，然后以第2節(jié)中所述方法進(jìn)行計(jì)算校核，直到滿足相關(guān)要求，在此不再贅述。注意橫向槽的深度與轉(zhuǎn)子的剛度、撓度關(guān)系密切，調(diào)整時(shí)應(yīng)注意。在多數(shù)情況下，通過選取適當(dāng)?shù)淖枘岱绞胶驼{(diào)整阻尼條根數(shù)便可解決負(fù)序能力不足的問題。槽楔和阻尼環(huán)、齒、片可進(jìn)行鍍銀處理，也可提高發(fā)電機(jī)的負(fù)序能力。當(dāng)然也有設(shè)計(jì)方案本身有缺陷的情況，例如定子線負(fù)荷過大，也會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)的負(fù)序能力有影響，那么應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，直到滿足各相相關(guān)規(guī)定。

4 結(jié)語

該文以一臺(tái)150MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)為例，采用有限元方法計(jì)算轉(zhuǎn)子求解區(qū)域的渦流損耗和溫升，并根據(jù)所得結(jié)果以及各部分溫升限值對(duì)該電機(jī)的負(fù)序能力進(jìn)行了判斷。對(duì)于不滿足相應(yīng)負(fù)序能力的情況下，給出了一些調(diào)整方法和建議。對(duì)發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)和電站運(yùn)行操作過程具有十分重要參考意義。