汽輪發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行及其渦流損耗分析

佟宇嘉

摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速向前發(fā)展，人們的生活質(zhì)量得到了顯著的提高，相應(yīng)的需求也在不斷的增加，電力需求就是其中之一。人們生活以及生產(chǎn)中都離不開電能，電的應(yīng)用讓人們的生活變得更加豐富多彩，同時也能進(jìn)一步的提高生產(chǎn)的效率以及質(zhì)量，所以近年來，人們對于供電的質(zhì)量也提出了更高的要求。但是電網(wǎng)在實際的運(yùn)行過程中，其穩(wěn)定性偶爾也會受到影響，而這就與許多因素有關(guān)，汽輪發(fā)電機(jī)的失磁故障在一定程度就會對電網(wǎng)的運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重危害，因為發(fā)電機(jī)是電力系統(tǒng)中的重要組成部分，其性能對于用電的質(zhì)量會產(chǎn)生一定的影響。因此，針對汽輪發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行以及渦流損耗問題就值得人們進(jìn)行深入的分析。

關(guān)鍵詞：汽輪發(fā)電機(jī)；失磁異步運(yùn)行；渦流損耗

針對汽輪發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行以及渦流損耗的問題是有必要進(jìn)行深入分析的。因為這關(guān)系著汽輪發(fā)電機(jī)能夠發(fā)揮其關(guān)鍵的作用，同時對于供電的質(zhì)量以及安全也具有重要的影響。只有加強(qiáng)汽輪發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行以及渦流損耗的研究，才能找出問題所在，進(jìn)而了解其運(yùn)行的原理，為發(fā)電機(jī)的后續(xù)維護(hù)提供可參考性的意見或者建議，這具有重要的意義。因此，這就要求有關(guān)人員能夠重視汽輪發(fā)電機(jī)失磁異步運(yùn)行以其渦流損耗的問題，在了解其原理的同時，還能利用先關(guān)軟件進(jìn)行科學(xué)的分析，以采取有效的措施，提高其整體性能，降低失磁故障發(fā)生的幾率，從而保證發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，更好的滿足人們的用電需求。

1 汽輪發(fā)電機(jī)失磁故障分析

眾所周知，發(fā)電機(jī)在電力系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色，能夠在電力系統(tǒng)中進(jìn)行機(jī)電能量的轉(zhuǎn)化，從而進(jìn)行發(fā)電，滿足人們的用電需求，所以，實際上發(fā)電機(jī)是電力系統(tǒng)的源泉所在。而如果發(fā)電機(jī)出現(xiàn)問題，那么無疑，其影響必然是巨大的，這就不利于電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，甚至還會產(chǎn)生安全事故，這不是人們所愿意看到的。由此可見，發(fā)電機(jī)故障所帶來的影響是巨大的。而勵磁系統(tǒng)作為發(fā)電機(jī)中的重要部分，它也具有著一些功能，甚至對于發(fā)電機(jī)運(yùn)行的特性還會具有比較直接的影響，而故障問題的發(fā)生在很大程度上也于此有關(guān)。就目前來看，近幾年，我國汽輪發(fā)電機(jī)的容量以及產(chǎn)量也在日益的增加，而且勵磁環(huán)節(jié)也是愈加的復(fù)雜，其發(fā)電機(jī)的失磁故障率也越來越高，這就在一定程度上對于發(fā)電機(jī)以及電網(wǎng)的運(yùn)行造成了很大的危害，影響并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)組間的正常運(yùn)行。所以，本文就利用派克變換原理，基于Matlab/Simulink工具搭建了單機(jī)無窮大系統(tǒng)，對發(fā)電機(jī)失磁的動態(tài)特性進(jìn)行仿真研究，再結(jié)合AnsoftMaxwell軟件研究失磁過程中轉(zhuǎn)子渦流損耗。

2 失磁異步運(yùn)行的原理

失磁異步運(yùn)行是值得人們進(jìn)行深入探究的，而這與其運(yùn)行的原理有很大的關(guān)系，這就要求有關(guān)人員能夠?qū)ζ湓磉M(jìn)行詳細(xì)的掌握和分析。實際上，在發(fā)電機(jī)失磁后，其電壓就會有所下降，電磁的功率也會有所減小，基于原來機(jī)械的慣性作用，在轉(zhuǎn)子上就會容易出現(xiàn)剩余的轉(zhuǎn)矩，從而使得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行加速的旋轉(zhuǎn)，甚至能夠逐漸的超過同步的轉(zhuǎn)速，繼而運(yùn)行。所以，由于發(fā)電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子之間存在相對的運(yùn)動，也就會造成滑差的產(chǎn)生。

而在這個過程中，將會產(chǎn)生轉(zhuǎn)差頻率的交流的電流，而這些電流也會在很大程度上推動具有制動性質(zhì)的異步轉(zhuǎn)矩的誕生，所以，發(fā)電機(jī)就能進(jìn)行穩(wěn)定的輸送有功功率，從而保證電力系統(tǒng)的良好運(yùn)行。而隨著轉(zhuǎn)速的越來越快，滑差也有所加大，這時異步轉(zhuǎn)矩也會增加，最終會達(dá)到一種平衡的狀態(tài)，從而使得汽輪發(fā)電機(jī)能夠穩(wěn)態(tài)的進(jìn)行異步運(yùn)行。

3 暫態(tài)系統(tǒng)模型的建立

3.1 仿真圖形的建立

發(fā)電機(jī)組采用的數(shù)學(xué)模型是單機(jī)無窮大系統(tǒng)，基于MATLAB/Simulink 仿真平臺，以模塊化建模的方法，搭建系統(tǒng)仿真模型。本仿真研究的是汽輪發(fā)電機(jī)從正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行到突然發(fā)生失磁故障進(jìn)而異步運(yùn)行的暫態(tài)過程。設(shè)仿真失磁故障類型為勵磁機(jī)直接短路失磁，仿真時用階躍信號來模擬勵磁電壓的變化，即為故障信號量。仿真時分別通過示波器采集發(fā)電機(jī)的勵磁電壓、勵磁電流、定子電流幅值、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、有功功率和無功功率的波形。

3.2 發(fā)電機(jī)參數(shù)設(shè)定

本文以一臺125MW，額定電壓為13.8kV，功率因數(shù)為0.9，極對數(shù)為1 的汽輪發(fā)電機(jī)為樣機(jī)，分析其發(fā)生失磁動態(tài)過程，及轉(zhuǎn)子渦流損耗分析。

3.3 波形分析

失磁初始階段，定轉(zhuǎn)子之間的勵磁磁場減弱，致使定子電流開始降低。隨著功角δ的逐漸增大，發(fā)電機(jī)進(jìn)入異步運(yùn)行，將逐漸從系統(tǒng)吸收大量無功功率建立定轉(zhuǎn)子之間的磁場，從而使此時發(fā)電機(jī)定子電流幅值較失磁前明顯增大。定子電流的增加使其熱超過穩(wěn)定效應(yīng)上限值，將導(dǎo)致定子繞組發(fā)熱，破壞繞組間的絕緣，而使發(fā)電機(jī)定子繞組被損壞。

失磁后，勵磁電壓降低，由于初始階段發(fā)電機(jī)的功角δ變化很微小，使電磁功率降低；隨著功角δ的增大，sinδ的增大可以彌補(bǔ)機(jī)端電壓Ut的降低，使發(fā)電機(jī)的有功功率發(fā)生微小波動，此過程稱之為“等有功過程”。隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的逐漸增大，功角δ增大至靜態(tài)穩(wěn)定角，此時隨著δ的增大，sinδ 減小，致使發(fā)電機(jī)的有功功率降低，但由于滑差電勢的作用，發(fā)電機(jī)由于異步轉(zhuǎn)矩的作用仍向系統(tǒng)輸送能量而不會從電網(wǎng)吸收功率。

從失磁故障開始階段，發(fā)電機(jī)的無功功率將逐漸降低并反向。但是隨著異步過程的進(jìn)行，發(fā)電機(jī)將不斷從電網(wǎng)中吸收大量的無功功率，建立定轉(zhuǎn)子之間聯(lián)系的磁場。從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓和電網(wǎng)電壓降低，系統(tǒng)潮流分布不均勻，電網(wǎng)的穩(wěn)定性將被破壞。

失磁初期，由于原動機(jī)的機(jī)械慣性作用，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將在原有轉(zhuǎn)速基礎(chǔ)上發(fā)生微小波動。隨著電磁轉(zhuǎn)矩的逐漸減小，而原動機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩不變，將在轉(zhuǎn)子上出現(xiàn)剩余轉(zhuǎn)矩，于是轉(zhuǎn)子加速。最終，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在原動機(jī)的調(diào)節(jié)作用下趨于一種穩(wěn)定，此時發(fā)電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定異步運(yùn)行階段。

4 渦流耗損

發(fā)電機(jī)失磁時，轉(zhuǎn)子上出現(xiàn)剩余轉(zhuǎn)矩，促使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子加速旋轉(zhuǎn)，隨著時間的推移，定轉(zhuǎn)子之間轉(zhuǎn)速差超過發(fā)電機(jī)本身的調(diào)節(jié)能力，使發(fā)電機(jī)進(jìn)入一步運(yùn)行狀態(tài)，而在轉(zhuǎn)子上出現(xiàn)轉(zhuǎn)差電流，進(jìn)而產(chǎn)生渦流。在發(fā)生失磁故障時，轉(zhuǎn)子的渦流損耗都比較集中于外表面上，而在大齒側(cè)的損耗是最為嚴(yán)重的，發(fā)熱也較為嚴(yán)重，這就需要人們能夠加以重視，在失磁時，能夠采取降負(fù)荷的措施，來提高整體汽輪發(fā)電機(jī)的性能。

5 結(jié)束語

隨著時代的不斷向前發(fā)展，人們的生活方式以及工作方式發(fā)生了很大的改變，各個行業(yè)都獲得了較大的發(fā)展，我國的電力行業(yè)也同樣取得了一定的進(jìn)步，但是同時也面臨著一些問題，這些問題的出現(xiàn)極不利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，對于人們的生活以及工作都會產(chǎn)生重要的影響。而汽輪發(fā)電機(jī)的失磁故障就是其關(guān)鍵問題之一，這就要求有關(guān)人員能夠針對失磁異步運(yùn)行以及渦流損耗的變化等進(jìn)行深入的分析，懂得利用先進(jìn)的仿真軟件來進(jìn)行研究，從而有助于工作人員能夠在失磁的過程中，還能有效的保證發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性，以方便維護(hù)人員有充足的時間找尋故障，加以排除，以進(jìn)一步的保證供電的質(zhì)量與安全，促進(jìn)我國電力事業(yè)的良好發(fā)展。

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