大型抽水蓄能機(jī)組轉(zhuǎn)子磁極線圈受力分析

王 韜，張興旺，李金香，茍智德

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

0 引言

2011年，某抽水蓄能電站其中一臺機(jī)組停機(jī)過程中，當(dāng)合上電氣制動開關(guān)時，發(fā)生勵磁變壓器過流保護(hù)動作，500 kV線路開關(guān)跳閘，同時機(jī)組低壓過流保護(hù)動作，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)動作，導(dǎo)致機(jī)組保護(hù)動作停機(jī)。

事后對發(fā)電機(jī)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極阻尼環(huán)伸縮接頭軟連接變形；磁極線圈下端部裝配用擋塊受徑向力剪斷或變形，固定螺栓松動或被剪斷掉落，如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)磁極受損情況

經(jīng)過分析，當(dāng)勵磁系統(tǒng)接到停機(jī)指令時，勵磁系統(tǒng)處于AVR調(diào)節(jié)模式，受到其V/F控制限制，機(jī)組勵磁電流保持在額定工作電流，而機(jī)端的電壓隨轉(zhuǎn)速下降逐漸降低。由于制動投入之前，勵磁系統(tǒng)工作模式切換沒有動作，導(dǎo)致電制動開關(guān)投入后，機(jī)端三相短路。此時發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓為零，在短路電流的沖擊效應(yīng)下，由于此時V/F限制起作用，無法限制勵磁電流。勵磁電流瞬間過電流，超過勵磁變保護(hù)設(shè)定值，造成勵磁變過流保護(hù)動作跳閘，發(fā)電機(jī)內(nèi)部瞬時產(chǎn)生比較大的電磁力，作用在轉(zhuǎn)子磁極相對脆弱的部分，導(dǎo)致了螺栓受到剪力而變形或斷裂。

因此本文對上述制動過程中磁極線圈受力情況進(jìn)行詳細(xì)分析研究。

1 計算分析

現(xiàn)以某臺抽水蓄能發(fā)電電動機(jī)作為研究對象，對其進(jìn)行分析，其基本數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 發(fā)電機(jī)基本數(shù)據(jù)

發(fā)電電動機(jī)在制動過程中，發(fā)電電動機(jī)應(yīng)首先與負(fù)載解列，然后拉滅磁開關(guān)進(jìn)行滅磁，使發(fā)電電動機(jī)進(jìn)入空轉(zhuǎn)，待轉(zhuǎn)速下降至50%額定轉(zhuǎn)速時，投入電制動開關(guān)[1-2]。當(dāng)電制動開關(guān)拒動時，即發(fā)電機(jī)出口處未進(jìn)行短接，而轉(zhuǎn)子勵磁繞組故障通入強(qiáng)勵磁電流。或者電制動開關(guān)已動作，轉(zhuǎn)子勵磁繞組故障同時也通入強(qiáng)勵磁電流，從而發(fā)生了電制動投入時勵磁故障電氣事故。

本文采用場路耦合時變電磁場有限元法[3-5]，計算電制動投入過程中發(fā)生勵磁故障定子繞組三相短路時轉(zhuǎn)子繞組向心電磁力。根據(jù)電機(jī)電磁場的周期對稱性及每極每相槽數(shù)[6]，該發(fā)電電動機(jī)轉(zhuǎn)子繞組向心電磁力計算場域?yàn)?個磁極，即一個單元電機(jī)，如圖2所示。

圖2 求解實(shí)體模型及轉(zhuǎn)子線圈局部放大

2 計算過程分析

2．1 定子繞組側(cè)電制動開關(guān)未投入情況

該種情況，采用發(fā)電電動機(jī)轉(zhuǎn)速50%額定轉(zhuǎn)速，定子繞組機(jī)端開路，轉(zhuǎn)子勵磁繞組接強(qiáng)勵磁電壓678.525 V(相當(dāng)于投入最大勵磁電流3 320 A)情況下，來計算轉(zhuǎn)子勵磁繞組向心電磁力。相關(guān)分布云圖見圖3、圖4，二維求解場域及耦合電路示意圖見圖5。

圖3 磁密分布云圖

圖4 轉(zhuǎn)子繞組力密度分布云圖

同時利用二維有限元進(jìn)行轉(zhuǎn)子繞組所受電磁力計算。對于定子側(cè)電制動開關(guān)未投入時，分別進(jìn)行了三維有限元和二維有限元計算轉(zhuǎn)子繞組受力情況，分布示意見圖6，結(jié)果如表2所示。

圖5 二維求解場域及耦合電路

圖6 某一時刻下磁密云圖分布及轉(zhuǎn)子繞組力密度分布

表2 轉(zhuǎn)子繞組所受最大電磁力

通過觀察三維有限元和二維有限元計算對比可以看出，轉(zhuǎn)子繞組受力的幅值和徑向力都基本相當(dāng)。即轉(zhuǎn)子勵磁繞組短邊所受的電磁力相對于長邊所受的電磁力比較起來，可以忽略不計。也就是說可以由二維電磁場來計算轉(zhuǎn)子線圈的電磁力受力情況。

2．2 定子繞組側(cè)電制動開關(guān)投入穩(wěn)態(tài)情況

該種情況采用發(fā)電電動機(jī)50%的額定轉(zhuǎn)速投入電制動，使定子繞組機(jī)端短路。轉(zhuǎn)子勵磁繞組投入最大勵磁電流為3 320 A，從轉(zhuǎn)子勵磁繞組電流持續(xù)投入的情況，計算轉(zhuǎn)子勵磁繞組向心電磁力。分布示意見圖7、圖8和圖9，結(jié)果如表3所示。

圖7 某時刻磁密云圖分布及轉(zhuǎn)子繞組力密度分布

圖8 受力最嚴(yán)重時刻磁密云圖分布

圖9 受力最嚴(yán)重時刻轉(zhuǎn)子繞組力密度分布

幅值/kN徑向/kN周向/kN-420.72-385.14169.34

2．3 定子繞組側(cè)電制動開關(guān)投入瞬態(tài)情況

該種情況采用發(fā)電電動機(jī)50%的額定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子勵磁繞組投入勵磁電壓678.525 V(相當(dāng)于投入最大勵磁電流3 320 A)并持續(xù)投入，然后投入電制動使定子繞組機(jī)端短路，來計算轉(zhuǎn)子勵磁繞組向心電磁力。

轉(zhuǎn)子線圈勵磁電流和單邊所受合力示意圖見圖10、圖11所示，所受最大電磁力結(jié)果見表4。

圖10 轉(zhuǎn)子線圈勵磁電流

圖11 轉(zhuǎn)子線圈單邊所受合力

表4 轉(zhuǎn)子繞組所受最大電磁力

3 結(jié)論

本文以某抽水蓄能機(jī)組為對象，對其電制動運(yùn)行各種工況進(jìn)行了分析計算，發(fā)現(xiàn)制動開關(guān)投入瞬間轉(zhuǎn)子勵磁線圈所受電磁力有尖峰值，對磁極線圈焊縫強(qiáng)度會造成破壞，使得磁極受損。在實(shí)際機(jī)組運(yùn)行時，宜對勵磁系統(tǒng)信號控制的邏輯進(jìn)行優(yōu)化，避免再次出現(xiàn)本文開始時發(fā)生的故障情況。