試探大型汽輪發(fā)電機(jī)負(fù)序電流的分析和計(jì)算

白偉

（神華陜西國華錦界能源有限責(zé)任公司，陜西榆林 719000）

試探大型汽輪發(fā)電機(jī)負(fù)序電流的分析和計(jì)算

白偉

（神華陜西國華錦界能源有限責(zé)任公司，陜西榆林 719000）

大型的汽輪發(fā)電機(jī)在整個(gè)電機(jī)制造行業(yè)中具有代表性的地位，通過對(duì)容量較大的汽輪機(jī)在不對(duì)稱的狀況下，進(jìn)行負(fù)序電流的計(jì)算與分析，在以前傳統(tǒng)的計(jì)算方法上加以改進(jìn)，同時(shí)通過實(shí)際驗(yàn)證，證明這種方法在實(shí)際的計(jì)算過程中是非常具有實(shí)用性的，文章中對(duì)大型汽輪發(fā)電機(jī)的維護(hù)和保養(yǎng)方案的設(shè)計(jì)給出了相關(guān)的理論建議。

汽輪發(fā)電機(jī) 負(fù)序電流 分析

根據(jù)相關(guān)資料研究表明，1000兆瓦以上的大容量發(fā)電機(jī)組要比500兆瓦以下的發(fā)電機(jī)組在制造成本上要節(jié)省35%的資金。當(dāng)發(fā)電機(jī)組在不對(duì)稱的情況下進(jìn)行工作時(shí)，定子進(jìn)行環(huán)繞時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的負(fù)序電流，并且形成負(fù)序電流旋轉(zhuǎn)的磁場，而整個(gè)轉(zhuǎn)子組和轉(zhuǎn)子的表面同時(shí)會(huì)感應(yīng)到頻率的諧波分量，造成發(fā)電機(jī)組中轉(zhuǎn)子的嚴(yán)重?zé)齻?。因此，發(fā)電機(jī)組在不對(duì)稱的狀況下會(huì)對(duì)負(fù)序電流造成一定的影響。

1 汽輪發(fā)電機(jī)的負(fù)序電流的形成與危害

（1）發(fā)電機(jī)進(jìn)行正常工作時(shí)，在電樞繞組的過程中只有正序電流的存在，而不存在負(fù)序電流。大概在發(fā)電機(jī)或電機(jī)的輸電線路產(chǎn)生故障致使它們之間的運(yùn)行發(fā)生不對(duì)稱時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一定的負(fù)序電流。發(fā)電機(jī)所承受的不對(duì)稱運(yùn)行能力，取決于它的不對(duì)稱程度和電流所產(chǎn)生的分量。它的不對(duì)稱程度可以通過發(fā)電機(jī)的不對(duì)稱電流和相序組進(jìn)行求出。（2）當(dāng)發(fā)電機(jī)的負(fù)序電流增大到一定的數(shù)量值時(shí)，轉(zhuǎn)子受到感應(yīng)后電流受熱所產(chǎn)生的損耗也會(huì)相應(yīng)的增加。同時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度以及它的磁場繞組都會(huì)產(chǎn)生一定的影響，并伴有一定的危害性。當(dāng)發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生單相或兩相電流在運(yùn)行狀態(tài)下產(chǎn)生不對(duì)稱時(shí)，電樞電流在流過負(fù)序電流的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一定的負(fù)序電流，負(fù)序電流所產(chǎn)生的磁場相當(dāng)于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子以兩倍的反方向旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，在其所產(chǎn)生的損耗會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)表面和磁場繞組等部位產(chǎn)生一定的損傷。（3）在轉(zhuǎn)子當(dāng)中由于負(fù)序電流對(duì)渦流所產(chǎn)生的損害，其損傷的程度會(huì)加劇轉(zhuǎn)子產(chǎn)生更多熱量，嚴(yán)重的情況下會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子造成損毀，發(fā)生故障時(shí)，其不對(duì)稱程度如果過于高的話，負(fù)序電流會(huì)隨之增大，產(chǎn)生較大的危害。一般常用b=I2II1對(duì)電流的不對(duì)稱程度進(jìn)行表示。其中轉(zhuǎn)子當(dāng)中各個(gè)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位與發(fā)熱量及時(shí)間成正比關(guān)系。

2 瞬態(tài)負(fù)序電流的分析方法與計(jì)算

（1）對(duì)稱形式的分量法是通過傳統(tǒng)方法對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算的方法，它將三相的不對(duì)稱電流分解為正序和負(fù)序以及零序的分量，并將其中的作用進(jìn)行相互的疊加，從而避免不對(duì)稱計(jì)算方法所帶來的麻煩，對(duì)稱的分量法只適合于線性系統(tǒng)。發(fā)生短路的時(shí)候，將系統(tǒng)中三相電流所產(chǎn)生的磁場放入到計(jì)算公式當(dāng)中。在負(fù)序的計(jì)算公式中將轉(zhuǎn)子的非周期性分量帶入到計(jì)算當(dāng)中，從而產(chǎn)生瞬態(tài)的負(fù)序分量，改進(jìn)計(jì)算方法后。當(dāng)發(fā)電機(jī)處于不對(duì)稱的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，其中三相的不對(duì)稱電流IA、IB、IC，可以運(yùn)用對(duì)稱分量將他們分解成為對(duì)稱分量的關(guān)系。（2）以大型的汽輪發(fā)電機(jī)為例，對(duì)它的負(fù)序分量計(jì)算方法進(jìn)行分析，當(dāng)發(fā)電機(jī)處于運(yùn)行過程時(shí)，在其相位角α0=0°，產(chǎn)生對(duì)稱性的三相短路。其中把A相電流的最后一項(xiàng)作為短路電流的非周期性分量。定子的三相電流繞組在空間內(nèi)的分布差值為120°/p，P為極對(duì)的數(shù)值，由于電機(jī)的極數(shù)數(shù)值為4，并且三相電流的分量在空間結(jié)構(gòu)中進(jìn)行排序時(shí)，其差值為60°。因此，定子的繞組在空間內(nèi)會(huì)合成磁場。三相合成的非周期性分量ir的值與短路的初始位置，當(dāng)α0=0°和180°時(shí)ir最大，α0 =90°和270°最小。所以這里用非周期性分量電流和時(shí)間的積分來表示電流的負(fù)序。所以，定子電流在轉(zhuǎn)子的表面產(chǎn)生的磨損與頻率成正比。（3）在負(fù)序電流的同頻率下用頻率的系數(shù)，合成非周期性分量產(chǎn)生等效負(fù)序。一般用時(shí)間t來計(jì)算瞬態(tài)的負(fù)序量，當(dāng)非周期性分量產(chǎn)生的等效負(fù)序與短路產(chǎn)生一定的關(guān)系時(shí)，發(fā)電機(jī)的瞬態(tài)負(fù)序中除了由定子負(fù)序電流在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的損害，這時(shí)也應(yīng)該考慮到由非周期性電流所產(chǎn)生的損耗。

3 負(fù)序運(yùn)行能力計(jì)算實(shí)例

（1）按照發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)原理，當(dāng)其能承受A=5s的瞬態(tài)負(fù)序量時(shí)，其負(fù)序電流在轉(zhuǎn)子上所產(chǎn)生的損耗與短路的初始角無關(guān)，而非周期性的分量所產(chǎn)生的損耗A2在α0=0°達(dá)到最大值，其中α0=90°時(shí)A2為0。如果三相電流在對(duì)稱的情況下，就不會(huì)產(chǎn)生負(fù)序電流，所以，經(jīng)過計(jì)算可知，在最壞情況下時(shí)，非周期性的分量在轉(zhuǎn)子上的損耗A2在t=1s左右時(shí)達(dá)到最大值。（2）由計(jì)算結(jié)果分析可知，當(dāng)α0=0°～90°的范圍內(nèi)時(shí)，非周期性的分量對(duì)瞬態(tài)的負(fù)序計(jì)算能力逐漸變小，在α0=0°時(shí)損害程度最大。當(dāng)α0=90°時(shí)，這時(shí)瞬態(tài)負(fù)序都是由負(fù)序電流產(chǎn)生的，當(dāng)瞬態(tài)負(fù)序A=4s時(shí)，可得t的值。當(dāng)短路的初始角α0分別等于不同值時(shí)計(jì)算出t的值。如果運(yùn)用傳統(tǒng)的方法對(duì)瞬態(tài)負(fù)序電流進(jìn)行計(jì)算時(shí)，只計(jì)算它的負(fù)序電流值可得t的值，運(yùn)用公式計(jì)算出t值的范圍。這樣也能合理的表示瞬態(tài)負(fù)序量有時(shí)不能夠更好地表示實(shí)際的損耗程度。（3）以一臺(tái)200兆瓦的汽輪發(fā)電機(jī)為例，對(duì)發(fā)電機(jī)的負(fù)序運(yùn)行能力進(jìn)行計(jì)算分析。采用有限元的方法計(jì)算轉(zhuǎn)子表面渦流的損耗程度，由于負(fù)序磁場在轉(zhuǎn)子表面透入的深度較小，針對(duì)這一點(diǎn)，采用表面阻抗的方法來進(jìn)行處理?？紤]到轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，可取橫向槽區(qū)之間的部分和其中一個(gè)轉(zhuǎn)子表面作計(jì)算。為了避免此問題，可以將橫向槽折轉(zhuǎn)成90°，使側(cè)面與轉(zhuǎn)子保持在同一平面內(nèi)，把矢量單位t當(dāng)做分析變量，用有限元的方法進(jìn)行計(jì)算，可得出渦流的損耗分布。以負(fù)序渦流場求得的負(fù)序損耗作為熱源，根據(jù)傳熱的原理可計(jì)算出轉(zhuǎn)子溫度的分布情況。為了簡單化，假設(shè)轉(zhuǎn)子的軸向較均勻，可知考慮轉(zhuǎn)子的橫截面積和齒輪區(qū)域的結(jié)構(gòu)狀況，只需計(jì)算出齒輪區(qū)域即可。

4 結(jié)語

通過對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)負(fù)序電流形成的原因進(jìn)行分析，根據(jù)瞬態(tài)負(fù)序電流的含義，其表示的轉(zhuǎn)子發(fā)熱的特征，研究了在短路時(shí)三相電流非周期性分量所形成的合成磁場，重新改進(jìn)了瞬態(tài)負(fù)序電流的計(jì)算公式。對(duì)大型汽輪發(fā)電機(jī)，進(jìn)行了分析計(jì)算其合成分量對(duì)負(fù)序電流的影響，改進(jìn)了以往傳統(tǒng)的計(jì)算缺點(diǎn)，從而為大型汽輪發(fā)電機(jī)的準(zhǔn)確計(jì)算提供了一定的有效依據(jù)。

［1］張琦雪，馮桂青，陳俊，嚴(yán)偉，沈全榮.汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組缺線圈運(yùn)行時(shí)的負(fù)序過負(fù)荷保護(hù)分析［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2014（34）：168-172.

［2］朱躍杰，趙偉，劉明慧.大型汽輪發(fā)電機(jī)負(fù)序電流的危害與計(jì)算方法分析［J］.上海電氣技術(shù)，2012（5）.