六相脈沖發(fā)電機穩(wěn)態(tài)負序能力分析

欒慶偉，楊懷海，潘波

(1哈爾濱大電機研究所，黑龍江哈爾濱150040；2哈爾濱理工大學，黑龍江哈爾濱150001；3佳木斯電機股份限公司，黑龍江佳木斯154002)

六相脈沖發(fā)電機穩(wěn)態(tài)負序能力分析

欒慶偉1, 2，楊懷海3，潘波3

(1哈爾濱大電機研究所，黑龍江哈爾濱150040；2哈爾濱理工大學，黑龍江哈爾濱150001；3佳木斯電機股份限公司，黑龍江佳木斯154002)

以一臺六相脈沖發(fā)電機為例，采用電磁場與溫度場耦合的方法研究了六相脈沖發(fā)電機穩(wěn)態(tài)負序能力，同時探討了負序電流產生機理以及六相脈沖發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)負序能力考核標準。相關標準對于六相電機規(guī)定較少，因此對于研究此類電機有一定的參考價值。

脈沖發(fā)電機；六相電機；穩(wěn)態(tài)負序

0 引言

發(fā)電機在運行中不可避免的存在某種不對稱狀態(tài)，此時電機電流中將含有一定的負序電流。負序電流產生的負序旋轉磁場，相對轉子沿反方向以兩倍基波的角速度旋轉，在阻尼繞組中感生電流，引起負序損耗，使阻尼繞組溫度升高。另外，當發(fā)生故障不對稱運行時，定子繞組中產生較大的負序電流，也同樣會引起阻尼繞組溫度升高。阻尼條溫度過高時，會造成阻尼條的熔斷，或者損毀，影響機組的安全的運行，因此對發(fā)電機的負序能力研究是十分必要的。

脈沖發(fā)電機是一種能在短時間內提供高電壓、大電流或者脈沖大功率脈沖的發(fā)電機。以某300MVA交流脈沖發(fā)電機為研究對象，對其負序能力進行了研究。此臺脈沖發(fā)電機的定子繞組采用6相2-Y移30°結構，其通常運行工況為：繞線式異步電動機采用轉子串接液體電阻恒定子額定電流起動并加速機組，機組整個開機過程(由靜止起動到額定轉速)的時間不大于15min，機組額定轉速下等待指令進行重復放電和再加速，裝置放電時一次釋能時間(同步發(fā)電機發(fā)電時間)約15s(帶額定負荷時間10s，空載勵磁上升及下降共5s)，重復釋能周期10～15min，再加速(由0.7倍額定轉速加速到額定轉速)時間不大于5min；機組每年平均使用100多天，通常每天起動次數1次(但設計值每天應能重復起動次數不少于2次)，每天約40次再加速和脈沖放電。因此有必要針對其繞組結構和運行方式的特殊性對其負序能力進行研究。

1 負序電流的產生機理

發(fā)電機負載不對稱運行是電力系統(tǒng)運行中經常出現的情況，此時電機內就會產生負序電流。而即使在發(fā)電機負載完全對稱的情況下，由于定、轉子之間的齒槽效應，仍然會有感應電流在阻尼繞組內產生。

在不對稱的三相負載情況下，即使三相電壓是對稱的，電流仍然是不對稱的。但考慮到電路是線性的，如將不對稱電流分解為零序、正序和負序三組對稱的電流分量，則分析每一組對稱的電流分量就變得簡單易行。這種計算不對稱三相電路的方法稱為對稱分量法[1]。

(1)

式中，a=∠120°。從而得到其中A相電流的零序、正序以及負序分量為

(2)

當定子繞組中產生負序電流時，該負序電流所產生的負序磁場同樣以同步轉速旋轉，但與正序旋轉磁場的旋轉方向反。因而，以同步轉速旋轉的發(fā)電機轉子將以2倍同步轉速切割該負序磁場，從而在勵磁繞組、阻尼繞組甚至轉子本體中感應出2倍工頻的負序電流。負序電流在電機轉子阻尼繞組中將引起附加熱損耗，若損耗過大，會引起阻尼繞組溫度過高，嚴重情況下會引起熔斷，若在機組運行過程中發(fā)生熔斷。由于本脈沖發(fā)電機額定電流為29kA，定子側發(fā)生不對稱運行時，負序電流勢必很大。因此在發(fā)電機設計時，必須考慮發(fā)電機的負序運行能力。

2 脈沖發(fā)電機穩(wěn)態(tài)負序損耗計算

脈沖發(fā)電機的基本數據如表1所示。采用有限元軟件建立脈沖發(fā)電機模型，為了減少計算量，建立整模型的1/24，模型極數為1個極，定子槽數為12槽。設置好材料屬性、運動屬性、邊界條件后的有限元模型如圖1所示。

圖1 脈沖發(fā)電機有限元模型

圖2為脈沖發(fā)電機穩(wěn)態(tài)負序能力求解模型的定子電路示意圖，脈沖發(fā)電機的工作制與常規(guī)三相水輪發(fā)電機相比，其單次同步運行(同步發(fā)電機發(fā)電運行時間)時間很短，約15s(帶額定負荷時間10s，空載勵磁上升及下降共5s)，而對常規(guī)三相水輪發(fā)電機額定容量為125MVA及以下的空氣冷卻水輪發(fā)電機不超過電流12%；額定容量大于125MVA的空氣冷卻水輪發(fā)電機不超過9%；定子繞組水直接冷卻的水輪發(fā)電機不超過6%。

圖2 穩(wěn)態(tài)負序能力求解模型的定子電路示意圖

由于研究用的脈沖發(fā)電機容量為300MVA，在研究穩(wěn)態(tài)負序能力時，首先在定子繞組側施加額定電流的9%作為負序電流來模擬脈沖發(fā)電機穩(wěn)態(tài)運行時出現不對稱的工況。A相電流的確定如式(3)，B相電流如式(4)，C相電流軟件根據基爾霍夫電流定律自動滿足。另一Y支路激勵源按同樣方法給出，參見式(5)，式(6)。計算脈沖發(fā)電機單次同步運行時間內(15s)阻尼繞組的損耗。

(3)

sin(2πft+120°)

(4)

sin(2πft-30°)

(5)

sin(2πft+90°)

(6)

采用瞬態(tài)場求解器計算了脈沖發(fā)電機空載運行工況時四種轉速下阻尼條損耗。圖3 為轉子磁極阻尼條編號。四種轉速下各阻尼條的損耗如表2所示。

由表2可以發(fā)現，轉速540r/s時,磁極上各阻尼條損耗較大。

3 脈沖發(fā)電機穩(wěn)態(tài)負序溫度計算

電機是一種機電能量轉換設備，在機電能量轉換過程中不可避免地要產生損耗，這些損耗絕大部分變成熱量，使電機各部分溫度升高。本文采用電磁場與溫度場耦合的方法，將上節(jié)計算得到的阻尼條損耗作為熱源，直接與溫度場進行耦合，算得到四種轉速下各阻尼條溫度。根據熱力學相關知識，可以確定轉子磁極表面以及阻尼條表面為散熱面，邊界條件為第三類邊界條件[2]，如圖4所示，初始環(huán)境溫度為53℃。四種轉速下散熱系數見表3。圖5、圖6、圖7、圖8為各個轉速下各阻尼條溫度分布圖。

表3 四種轉速下散熱系數(W/ m2·℃)

圖4 轉子磁極表面和阻尼條散熱邊界

圖5 540r/min阻尼繞組溫度圖

圖6 498r/min阻尼繞組溫度圖

圖7 415r/min阻尼繞組溫度

圖8 335r/min阻尼繞組溫度圖

以上計算了轉速540r/min時15s內阻尼繞組的溫升情況，由于研究脈沖發(fā)電機長期不對稱運，因此計算了該轉速下100s 阻尼繞組的溫度。圖9為Damper1100s時的溫度曲線，可以看到100s時，阻尼繞組的溫度趨于穩(wěn)定，為56.2℃。

圖9 轉速540時阻尼繞組Damper1100s溫度曲線

4 六相脈沖發(fā)電機負序能力考核標準的討論

對于普通的三相水輪發(fā)電機，其穩(wěn)態(tài)負序能力主要參照如下標準:標準GB/T 7894—2009《水輪發(fā)電機基本技術條件》中規(guī)定，水輪發(fā)電機在不對稱電力系統(tǒng)中運行時，穩(wěn)態(tài)負序電流為下列數值時應能長期運行：額定容量為125MVA及以下的空氣冷卻水輪發(fā)電機不超過12%；額定容量大于125MVA的空氣冷卻水輪發(fā)電機不超過9%；定子繞組水直接冷卻的水輪發(fā)電機不超過6%。標準JB/T 8445—1996《三相同步發(fā)電機負序電流承受能力試驗方法》中規(guī)定了在電機長期運行時紫銅阻尼條允許的最高溫度為130℃。

由于脈沖發(fā)電機的定子繞組采用6相2-Y移30°結構，其運行情況在前言部分已經介紹，常規(guī)三相水輪發(fā)電機負序能力的考核標準是否適用，仍然需要進一步研究，國家相關標準和IEEE，以及IEC也沒有相關的規(guī)定。但是就發(fā)電機負序能力而言，歸根結底，是由轉子各結構件允許的最高溫度所決定的，各結構件所允許的最高溫度仍然參考JB/T 8445—1996《三相同步發(fā)電機負序電流承受能力試驗方法》[3]中相關規(guī)定，如表4所示。

表4 轉子各結構件允許最高溫度

5 結語

本文通過對六相脈沖發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)負序能力進行分析，并采用電器場與溫度場耦合的方法，計算了負序溫度，其結果完全符合考核標準。因此本文的技術在實際應用中和學術上有一定的參考價值。

[1] 湯蘊璆.電機學.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[2] 丁舜年.大型電機的發(fā)熱與冷卻.北京：科學出版社，1992.

[3] JB/T 8445—1996三相同步發(fā)電機負序電流承受能力試驗方法.

Analysis on Steady-State Negative-Sequence Ability ofSix-Phase Pulse Generator

LuanQingwei,YangHuaihai,andPanBo

(1.Harbin Institute of Large Electrical Machinery, Harbin 150040, China；2.Harbin University of Science and Technology, Harbin 150001, China；3.Jiamusi Electric Machine Co., Ltd., Jimusi 154002, Chinaa)

Taking a six-phase pulse generator as an example, the steady-state negative-sequence ability is studied by method of coupling electric magnetic field and temperature field. The production principle of negative-sequence current and assessment standards of steady-state negative-sequence ability are discussed. There are very little related standards about six-phase generator, so this paper has a certain reference value.

Pulse generator；six-phase generator；steady-state negative-sequence

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.02.06

TM301.3

A

1008-7281(2017)02-0019-004

欒慶偉 男 1981年生；畢業(yè)于哈爾濱理工大學電氣工程及其自動化專業(yè)，現從事水輪發(fā)電機、汽輪發(fā)電機以大型交直流電機研發(fā)工作.

2017-01-05