千兆瓦靜態(tài)勵磁發(fā)電機(jī)高頻軸電流調(diào)諧濾波器研究

許煥清，王宏華，王成亮

（1.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，南京211102；2.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，南京210098）

0 引 言

1 000 MW發(fā)電機(jī)在全國裝機(jī)容量的占比逐年提高，百萬千瓦發(fā)電機(jī)的可靠性對電力系統(tǒng)顯得更為重要。近五年江蘇省機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)分析表明，1 000 MW機(jī)組在非計(jì)劃停運(yùn)總次數(shù)中占了很高比例，特別是發(fā)電機(jī)原因造成的非計(jì)劃停運(yùn)呈現(xiàn)較大幅度的增長趨勢。

在機(jī)組運(yùn)行中，發(fā)電機(jī)軸兩端之間、轉(zhuǎn)軸與地或軸承之間形成的電壓，稱之為軸電壓。軸電壓是制約大型同步發(fā)電機(jī)安全可靠運(yùn)行的重要問題之一。過高的軸電壓會擊穿發(fā)電機(jī)軸與軸承間的潤滑油膜而產(chǎn)生放電，造成電腐蝕，損害軸承等部件，加速機(jī)械磨損，縮短電機(jī)壽命，嚴(yán)重時會造成停機(jī)，危及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，造成重大損失。

國內(nèi)外學(xué)者和工程師們已經(jīng)認(rèn)識到軸電壓問題所產(chǎn)生的嚴(yán)重危害，相關(guān)文獻(xiàn)對于電動機(jī)和較小容量發(fā)電機(jī)的軸電壓問題開展了大量研究［1-9］?，F(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)表明［10-15］，發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時產(chǎn)生的軸電壓是不可避免的，300 MW及以下發(fā)電機(jī)軸電壓多為3 V～5 V，現(xiàn)場不少1 000 MW發(fā)電機(jī)軸電壓接近20 V，個別發(fā)電機(jī)出現(xiàn)了50 V左右的軸電壓?，F(xiàn)有文獻(xiàn)［1，4，12-15］對發(fā)電機(jī)軸電壓產(chǎn)生的原因進(jìn)行了定性分析，但對1 000 MW發(fā)電機(jī)軸電壓和軸電流抑制措施的建模仿真和深入研究開展得較少。

軸電壓對發(fā)電機(jī)的危害主要源于異常的軸電壓產(chǎn)生的軸電流。當(dāng)軸電流密度很大時，軸電流通過的軸頸、軸瓦等部件將被燒壞；軸電流引起的電弧也會燒蝕軸承部件并使?jié)櫥屠匣?，加速軸承的機(jī)械磨損；軸電流還會使發(fā)電機(jī)端蓋、軸承和環(huán)繞軸的其他部件強(qiáng)烈磁化，并在軸頸和葉輪處產(chǎn)生單極電勢，加劇軸電壓的產(chǎn)生，造成惡性循環(huán)。當(dāng)軸電流頻率較高時，會使得現(xiàn)場的測振裝置誤判引起跳機(jī)。

為了采取措施抑制軸電壓和防止有害的高頻軸電流產(chǎn)生，以江蘇某1 000 MW靜態(tài)勵磁汽輪發(fā)電機(jī)為研究對象，在實(shí)測發(fā)電機(jī)軸電壓的基礎(chǔ)上，建立了基于實(shí)際參數(shù)的1 000 MW發(fā)電機(jī)軸電壓模型，并進(jìn)行了仿真分析。在仿真分析的基礎(chǔ)上，提出了一種選擇濾除靜態(tài)勵磁發(fā)電機(jī)高頻軸電流的調(diào)諧濾波器，并對濾波器的應(yīng)用開展了仿真研究。

1 1 000 MW發(fā)電機(jī)軸電壓實(shí)測分析

對江蘇某電廠1 000 MW汽輪發(fā)電機(jī)的軸電壓開展了現(xiàn)場實(shí)測。該某發(fā)電機(jī)配套靜態(tài)勵磁系統(tǒng)為某公司產(chǎn)品，其勵磁電流為3 817 A、勵磁電壓為274.3 V，技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)電機(jī)及勵磁參數(shù)Tab.1 Parameters of generator and excitation

該發(fā)電機(jī)軸電壓的實(shí)測時域波形如圖1所示，軸電壓有效值為20.01 V。圖1中，上圖為測試波形，下圖為波形展開。對發(fā)電機(jī)實(shí)測軸電壓進(jìn)行了FFT分析，其主要頻譜及數(shù)值如表2所示。

圖1 某1 000 MW發(fā)電機(jī)軸電壓實(shí)測時域波形Fig.1 Shaft voltage test time domain waveform of a 1 000 MW generator

表2 某1 000 MW發(fā)電機(jī)實(shí)測軸電壓主要頻譜及數(shù)值Tab.2 Main frequency spectrum and numerical value of shaft voltage of a 1 000 MW generator

由頻域分析可見，軸電壓最大峰值及最大能量出現(xiàn)在1 051 Hz頻率處，根據(jù)時域波形判斷為周期性峰值出現(xiàn)；次大峰值為451 Hz頻率處。實(shí)測結(jié)果表明，采用靜態(tài)勵磁系統(tǒng)的1 000 MW發(fā)電機(jī)因晶閘管換流不可避免在勵磁系統(tǒng)的輸出中有高頻軸電壓脈沖，使得軸電壓具有幅值較大的諧波脈沖分量，成為大型靜態(tài)勵磁發(fā)電機(jī)產(chǎn)生軸電壓的主要原因之一。在軸電壓的諧波分量中，還存在幅值較小的2倍工頻（101.6 Hz）、工頻及其偶次諧波分量，表明發(fā)電機(jī)本身磁路不對稱或剩磁產(chǎn)生的軸電壓較小。

2 1 000 MW發(fā)電機(jī)軸電壓仿真建模

國內(nèi)1 000 MW發(fā)電機(jī)多采用靜態(tài)勵磁系統(tǒng)。本文按照江蘇某電廠靜態(tài)勵磁1 000 MW汽輪發(fā)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)，基于Matlab Simulink Power System建立了靜態(tài)勵磁發(fā)電機(jī)軸電壓的仿真模型，如圖2所示。仿真模型包括靜態(tài)勵磁系統(tǒng)（Rectifier）、轉(zhuǎn)子勵磁繞組系統(tǒng)（Excition Winding）和轉(zhuǎn)子軸系系統(tǒng)（Rotor Shaft＆Turbines）三個子系統(tǒng)。

圖2 靜態(tài)勵磁發(fā)電機(jī)軸電壓仿真模型Fig.2 Shaft voltage simulation model of static excitation generator

靜止勵磁系統(tǒng)給轉(zhuǎn)子勵磁繞組提供直流勵磁，主要由三相勵磁變壓器和三相全控橋整流器構(gòu)成。三相全控橋式整流的三相橋電路模塊選用Universal Bridge模塊。勵磁變按機(jī)組實(shí)際數(shù)據(jù)設(shè)置為Yd11型三相雙繞組變壓器，將勵磁變?nèi)鄬Φ仉娙菥O(shè)置為 0.05μF。

按照轉(zhuǎn)子實(shí)際技術(shù)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)子勵磁繞組共14個線圈，每個線圈7匝。計(jì)及端部漏磁場的影響，對勵磁繞組端部的兩個線圈單獨(dú)建模，其每半匝導(dǎo)線均由一個電感和兩個電容的π型電路模擬，中間的12個線圈作集總處理，其每半個線圈用一個電感和兩個電容構(gòu)成的π型電路模擬，建立轉(zhuǎn)子勵磁繞組的子系統(tǒng)仿真模型。

將兩個低壓缸、一個中壓缸、一個高壓缸分別用相應(yīng)的電感模擬，而這些位置處及汽側(cè)（TE）、勵側(cè)（EE）位置處分別設(shè)置了對地電容以模擬轉(zhuǎn)軸對地的分布電容，建立轉(zhuǎn)子軸系子系統(tǒng)仿真模型。

定義整流橋輸出正極A和負(fù)極B對地電壓U1、U2的平均值為共模電壓UC，用SCOPEUC記錄共模電壓。仿真選用ode23tb算法，利用power gui模塊進(jìn)行定步長離散采樣。

3 1 000 MW發(fā)電機(jī)軸電壓仿真分析

3.1 未采取任何措施的軸電壓仿真

仿真結(jié)果如圖3所示，將三相全控橋整流器觸發(fā)角均設(shè)置為90°。由圖可見，靜態(tài)勵磁系統(tǒng)整流輸出的共模電壓基頻為150 Hz，三相全控橋整流器換流將引起高頻共模電壓尖峰脈沖。靜態(tài)勵磁系統(tǒng)引起軸電壓的主要成分是共模電壓基頻及其3次、5次、7次等高頻奇次諧波分量。不采取任何軸電壓防護(hù)措施時，勵側(cè)軸電壓幅值將突破80 V，危及機(jī)組安全運(yùn)行。

現(xiàn)場實(shí)測和仿真結(jié)果表明，靜態(tài)勵磁系統(tǒng)輸出的共模電壓高頻奇次諧波是大型汽輪發(fā)電機(jī)的主要軸電壓源。

3.2 采取常規(guī)抑制軸電壓措施的仿真

當(dāng)前大型發(fā)電機(jī)組廣泛采用汽側(cè)經(jīng)碳刷可靠接地、勵側(cè)經(jīng)RC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)接地的抑制軸電壓措施。圖4為采取常規(guī)抑制軸電壓措施的發(fā)電機(jī)軸電壓和軸電流的仿真。圖中勵側(cè)RC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的電阻值取510Ω，電容取10μF，接地電阻為0.1Ω。

在圖4中，（a）為發(fā)電機(jī)勵側(cè)軸電壓仿真波形，（b）、（c）分別為采用常規(guī)抑制措施的軸電流時域仿真波形及其FFT。仿真表明，常規(guī)抑制措施對軸電壓具有明顯抑制作用，勵側(cè)軸電壓幅值有明顯下降。由軸電流頻譜可見，三相全控橋整流器換流引起的高頻脈沖軸電壓并不能完全消除，軸電流依然以共模電壓的基頻及其3次、5次、7次等諧波分量為其主要成分，這是由于大軸的阻抗對勵側(cè)軸電壓的高頻成分影響大所致，因此，常規(guī)抑制措施不能消除軸電流的高頻成分。

現(xiàn)場的故障分析表明，高頻軸電流對汽機(jī)的測振裝置構(gòu)成干擾，易引起振動誤判而報(bào)警，嚴(yán)重時可引發(fā)跳機(jī)。因此，高頻軸電流分量將對機(jī)組安全運(yùn)行構(gòu)成隱患，有必要對現(xiàn)有抑制措施進(jìn)行改進(jìn)，有選擇地濾除高頻軸電流分量。

圖4 采用常規(guī)抑制措施的軸電壓和軸電流仿真Fig.4 Shaft voltage and shaft current simulation with normal suppression measures

4 高頻軸電流調(diào)諧濾波器的設(shè)計(jì)及仿真

針對現(xiàn)有軸電壓抑制措施的局限，本文提出了一種選擇濾除靜態(tài)勵磁發(fā)電機(jī)高頻軸電流的調(diào)諧濾波器，如圖5所示。

圖5 高頻軸電流調(diào)諧濾波器結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Schematic diagram of the tuned filter for decreasing high frequency shaft current

圖5中，調(diào)諧濾波器由電容C、電阻R和無源諧波濾波器并聯(lián)組成，其一端接地，另一端接同步發(fā)電機(jī)勵側(cè)轉(zhuǎn)軸，同步發(fā)電機(jī)汽側(cè)轉(zhuǎn)軸接地。為了對調(diào)諧濾波器的原件進(jìn)行保護(hù)，設(shè)置了快速熔斷絲F1和F2。

無源諧波濾波器由電感L1和電容C1串聯(lián)組成，其取值滿足：

式中fn為所要濾除的共模電壓第n次諧波引起的高頻軸電流分量的頻率（Hz），fn＝150n，n＝3，5，7，9……。

基于建立的1 000 MW靜止勵磁汽輪發(fā)電機(jī)組軸電壓仿真模型，將所提出的調(diào)諧濾波器接入，進(jìn)行仿真分析。依據(jù)式（1）選取電感L1和電容C1，以濾除三倍工頻的7次諧波為例仿真研究調(diào)諧濾波器的濾除高頻軸電流效果，仿真參數(shù)設(shè)置如下：n選為7，R取為510Ω，C取為10μF，接地電阻為0.1Ω。調(diào)諧濾波器的電感L1和電容C1取值滿足：

圖6為采用上述設(shè)計(jì)的調(diào)諧濾波器的軸電壓、軸電流仿真結(jié)果。其中，（a）為勵側(cè)軸電壓時域仿真波形，（b）、（c）分別為軸電流仿真時域波形及其FFT。

圖6 采用調(diào)諧濾波器的仿真波形Fig.6 Simulation results with the tuned filter

由圖6可見，所設(shè)計(jì)的7次諧波濾波器有效地濾除了所設(shè)定的軸電流中的7次諧波（1 050 Hz）分量。仿真結(jié)果表明，本文所提出的在現(xiàn)有常規(guī)抑制軸電壓措施的基礎(chǔ)上增加調(diào)諧濾波器的方法，不僅能有效抑制軸電壓，而且能濾除所選擇的高頻軸電流分量。

5 結(jié)束語

隨著晶閘管靜態(tài)勵磁系統(tǒng)在大型發(fā)電機(jī)中的廣泛應(yīng)用，軸電壓成為制約大型發(fā)電機(jī)安全可靠運(yùn)行的嚴(yán)重問題之一。研究表明靜態(tài)勵磁系統(tǒng)輸出共模電壓基頻（150 Hz）及其3次、5次、7次等高頻奇次諧波是大型汽輪發(fā)電機(jī)的主要軸電壓源。

提出的在現(xiàn)有常規(guī)抑制軸電壓措施的基礎(chǔ)上增加調(diào)諧濾波器的方法，在顯著抑制因同步發(fā)電機(jī)磁通不對稱等機(jī)組自身結(jié)構(gòu)原因引起的直流軸電壓、低頻軸電壓的同時，能有效選擇性地濾除靜止勵磁系統(tǒng)輸出共模電壓某次諧波引起的同步發(fā)電機(jī)高頻軸電流，可用于同步發(fā)電機(jī)靜態(tài)勵磁軸電壓和軸電流的防治，可提高大型同步發(fā)電機(jī)組的安全可靠運(yùn)行水平。