大型水輪發(fā)電機阻尼條受力和阻尼條損耗的計算

宋敏慧，張春莉，胡 剛，李桂芬，李金香，楊華峰

(1． 哈爾濱大電機研究所，黑龍江哈爾濱 150040； 2. 哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

水輪發(fā)電機通常裝設(shè)阻尼系統(tǒng)。在電機運行過程中，阻尼系統(tǒng)的安全可靠性直接關(guān)系到電機是否安全可靠運行[1]。因此需要對阻尼條電磁力進(jìn)行計算。國標(biāo)GB/T 7894—2009水輪發(fā)電機基本技術(shù)條件的7.1.3中明確“水輪發(fā)電機在不對稱電力系統(tǒng)中運行時，如任一相電流不超過額定電流，且其負(fù)序電流分量與額定電流之比(標(biāo)幺值)為下列數(shù)值時能長期運行，其中額定容量小于125 MVA的空氣冷卻水輪發(fā)電機不超過12%”。我們選定某臺水輪發(fā)電機，進(jìn)行分析研究，其基本數(shù)據(jù)見表1。

表1 發(fā)電機基本數(shù)據(jù)

1 研究方法

首先建立發(fā)電機的幾何模型，這里對阻尼條進(jìn)行了編號。每一個極靴上有6根阻尼條，因此本文阻尼條編號為1，2，3，…，6。對電機電樞繞組、勵磁繞組以及阻尼繞組求解其損耗，需要在有限元模型的基礎(chǔ)上搭建外電路。圖1所示為發(fā)電機等效外電路示意圖。

圖1 穩(wěn)態(tài)負(fù)序能力求解模型的外接電路示意圖

Q為阻尼繞組，BA、BB、BC、BF分別為A、B、C三相繞組和勵磁繞組，LA、LB、LC為電樞繞組端部漏抗，IAB、IBC、ICA為測量電流，IA、IB為電樞繞組三相負(fù)載，IF為勵磁繞組電流源，IA、IB分別為A相、B相外加電流源。根據(jù)基爾霍夫電流定律即可得到C相電流。當(dāng)運行工況為額定不對稱負(fù)載(額定對稱負(fù)載+負(fù)序負(fù)載)時，IA、IB為額定負(fù)載電流疊加負(fù)序電流。根據(jù)國家穩(wěn)態(tài)負(fù)序標(biāo)準(zhǔn)，大型發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)負(fù)序電流不超過額定電流IN的9%。定義電流源為：

式中：IN為發(fā)電機額定電流；F為發(fā)電機額定頻率；TIME為時間；ψ為定子內(nèi)功率因數(shù)角，其表達(dá)為

(2)

式中：U和I取1，φ為功率因數(shù)角，Xq為交軸同步電抗。

2 電磁力計算結(jié)果

本文給出了水輪發(fā)電機的磁場分布，計算了額定負(fù)載工況和負(fù)序電流為額定電流12%工況下阻尼條所受電磁力。阻尼條最右側(cè)為序號1，依次2，3，4，5，6，1為背風(fēng)面一側(cè)。計算結(jié)果見表2。

表2 各工況下阻尼條電磁力 單位：N

由以上結(jié)果可知，負(fù)序電流為額定電流12%工況下第1根阻尼條所受電磁力最大，最大徑向電磁力為885.29 N，切向電磁力為879.52 N。該工況下磁場分布和阻尼條受力如圖2和圖3所示，阻尼條序號見圖4。

圖2 負(fù)序12%工況磁場分布圖

圖3 額定工況磁場分布圖

圖4 阻尼條序號示意圖

3 阻尼條和阻尼環(huán)損耗

用運動網(wǎng)格時變電磁場有限元法計算了該機額定工況的一個極BR1-BR6的6根阻尼條損耗， 及R1-R6的6段阻尼環(huán)損耗，BR1為被風(fēng)面， 并且分給出BR1-BR6和R1-R6最大損耗數(shù)值， 示意圖如圖5所示， 結(jié)果如表3所示。

圖5 輪發(fā)電機阻尼條損耗示意圖

表3 結(jié)果數(shù)據(jù)表 單位：W

4 結(jié)論

從結(jié)果數(shù)據(jù)表中可以看出阻尼條在額定負(fù)載和穩(wěn)態(tài)負(fù)序兩種工況下運行時，1號阻尼條為背風(fēng)面，背風(fēng)面阻尼條電磁力較大。從圖中可以看出，徑向和切向電磁力均小于離心力，阻尼條不會發(fā)生熔斷事件。阻尼條和阻尼環(huán)損耗也在發(fā)電機安全穩(wěn)定運行的范圍內(nèi)。

[1] 湯蘊璆.交流電機動態(tài)分析[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[2] 湯蘊璆，史乃.電機學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.