汽輪發(fā)電機失磁異步運行能力研究

張建濤，胡　剛

(哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱　150040)

汽輪發(fā)電機失磁異步運行能力研究

張建濤，胡剛

(哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150040)

摘要：汽輪發(fā)電機失磁異步運行后，其出力、定轉(zhuǎn)子電流均與額定工況大不相同。判斷電機的失磁異步運行能力，需要從定子線棒、轉(zhuǎn)子線圈、轉(zhuǎn)子鐵心和定子端部四個方面的損耗大小。文章在對失磁異步運行仿真的基礎(chǔ)上，以一臺350 MW汽輪發(fā)電機為例，用二維和三維有限元法，從這四個方面加以分析，最后得到了電機的失磁異步運行能力。

關(guān)鍵詞：汽輪發(fā)電機；失磁；異步運行

0引言

汽輪發(fā)電機失去勵磁后不會馬上與電網(wǎng)解列，而是在原動機的帶動下進入異步運行狀態(tài)，并向電網(wǎng)輸出一定有功功率。這就是汽輪發(fā)電機失磁異步運行。它屬于應(yīng)避免而又不可能完全排除的非正常運行狀態(tài)。因發(fā)電機失磁瞬間從發(fā)送無功的正常運行狀態(tài)，躍變?yōu)槲諢o功狀態(tài)，對電網(wǎng)造成非常不利的大幅度無功負(fù)荷變化，故應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格限制失磁異步運行條件。實踐表明，有限的短時異步運行對發(fā)電機組運行是有利的，可能因此恢復(fù)勵磁，從而避免發(fā)電機緊急掉閘對熱動力設(shè)備的沖擊。若不能恢復(fù)勵磁，短時的異步運行也可以使機組負(fù)荷在解列前以適當(dāng)速度減少以至足以轉(zhuǎn)至其他機組[1-3]。

汽輪發(fā)電機失磁異步運行的能力及限值與電網(wǎng)容量、機組容量、有否特殊設(shè)計等有關(guān)。一般需要視具體情況具體分析，經(jīng)過計算和試驗來確定。當(dāng)電機失去勵磁后，轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)差速度運行。轉(zhuǎn)子產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩，定子、轉(zhuǎn)子電流大小跟額定工況時也不一樣。發(fā)電機由發(fā)出無功變?yōu)槲諢o功，變?yōu)橐环N進相運行狀態(tài)。因此，有必要對這些變化進行分析，研究它們對電機本身的影響，并從此角度分析電機所具備的失磁異步運行能力。文章以一臺350 MW汽輪發(fā)電機為例，以額定定子電流、額定勵磁電流以及轉(zhuǎn)子鐵心損耗和定子端部損耗在正常運行工況下的大小作為電機失磁異步運行能力的判斷依據(jù)，利用Simulink仿真技術(shù)和電磁場有限元技術(shù)，分析在不同失磁形式、帶不同負(fù)載下的定轉(zhuǎn)子電流大小，轉(zhuǎn)子鐵心和定子端部損耗的大小，從而確定電機的失磁異步運行能力。表1為電機的基本參數(shù)。

表1　電機基本數(shù)據(jù)

1定子電流

定子線棒發(fā)熱是限制電機出力的重要因素。失磁后，建立電機磁場的激磁電流也由定子方面提供，所以定子電流增大很多。圖1為用Simulink軟件仿真得到的帶100%負(fù)載失磁后的定子電流變化曲線?？梢钥闯?，失磁后電流有效值發(fā)生了波動。取一個周期的電流進行平均，再與額定電流進行對比，從而判斷電機所能承受的失磁能力。圖2為不同負(fù)載發(fā)生失磁后的定子電流曲線。從圖2可以看出，電機發(fā)生短路失磁后可以帶80%的負(fù)載，而發(fā)生開路失磁后至少要將負(fù)載降到70%，才能保證定子線棒不發(fā)生過熱。

圖1　100%負(fù)載失磁后定子電流曲線

圖2　失磁后定子電流有效值與負(fù)載關(guān)系曲線

2轉(zhuǎn)子電流

當(dāng)汽輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子由于某種故障造成短路失磁后，由于轉(zhuǎn)子電感很大，磁通不能突變，在轉(zhuǎn)子回路中將感應(yīng)出交變的電流，如圖3所示。從圖上可以看出，即使在100%負(fù)載失磁時，轉(zhuǎn)子交變電流的幅值也小于正常運行時的幅值，故不會引起轉(zhuǎn)子繞組的過熱。因此，轉(zhuǎn)子電流不構(gòu)成限制電機失磁異步運行能力的因素。

圖3　短路失磁后轉(zhuǎn)子電流曲線

3轉(zhuǎn)子鐵心損耗

汽輪發(fā)電機失磁進入穩(wěn)態(tài)異步運行后，將會在轉(zhuǎn)子本體及各部件包括轉(zhuǎn)子繞組、阻尼繞組、槽楔等感應(yīng)轉(zhuǎn)差頻率為sf1的交流電流。該電流沿轉(zhuǎn)子本體形成回路，引起轉(zhuǎn)子鐵心發(fā)熱。因此，失磁后轉(zhuǎn)子溫度會上升，需要核算失磁后轉(zhuǎn)子鐵心上的總損耗。

由于定子和轉(zhuǎn)子齒槽的存在，在氣隙中存在相當(dāng)比例的諧波，即使在額定工況下轉(zhuǎn)子表面也會產(chǎn)生損耗。文章采用二維時步有限元法，計算發(fā)電機的轉(zhuǎn)子鐵心損耗。圖4為電機在額定工況下的磁場分布和轉(zhuǎn)子鐵心損耗隨時間變化的曲線。經(jīng)過計算，正常運行時，電機轉(zhuǎn)子鐵心損耗為131 kW。

圖4　額定工況下的場圖和轉(zhuǎn)子損耗曲線

將失磁后的轉(zhuǎn)子電流、定子電流和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速作為邊界條件，用上述方法計算失磁后的轉(zhuǎn)子鐵心損耗。圖5為轉(zhuǎn)子鐵心平均損耗與負(fù)載關(guān)系曲線.計算結(jié)果表明，為保障電機安全運行，短路失磁后電機的負(fù)載應(yīng)該降到53%左右，而開路失磁后負(fù)載至少應(yīng)該降到70%。

圖5　失磁后的轉(zhuǎn)子鐵心損耗-負(fù)載的關(guān)系

4定子端部損耗

汽輪發(fā)電機失磁異步運行是進相運行的極限情況。定子端部漏磁場與轉(zhuǎn)子端部漏磁場相對空間位置發(fā)生了變化，使得兩者的合成在增大。該合成磁場會在定子端部結(jié)構(gòu)件中產(chǎn)生渦流損耗而引起發(fā)熱。尤其是對直接冷卻的大型電機，由于線負(fù)荷比較高，發(fā)熱問題更應(yīng)引起注意。它一般限制了汽輪發(fā)電機的失磁異步運行能力。

文章利用三維有限元法，計算汽輪發(fā)電機在失磁異步運行工況下的端部損耗，確定其異步運行能力。計算額定工況下的定子端部損耗，圖6為計算得到的額定工況下的端部磁場分布，表2為端部各金屬結(jié)構(gòu)件在額定工況下的損耗大小。

圖6　額定工況下的端部磁場

表2　額定時各端部結(jié)構(gòu)件損耗 kW

為確定失磁后端部結(jié)構(gòu)件的發(fā)熱情況，將失磁后的轉(zhuǎn)子電流、定子電流和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速作為三維有限元的邊界條件，計算不同負(fù)載失磁后的端部損耗。由于失磁后的各量的波動周期很大，不可能計算每個時間點的損耗大小，所以等間隔地挑選了9個點。

圖7為短路失磁后的定子端部損耗曲線。從結(jié)果可以看出，失磁后端部損耗確實顯著增加。如果不降負(fù)載必然會引起端部過熱，當(dāng)負(fù)載降到46.3%時與正常運行時的端部損耗比較接近。故電機可以帶46.3%的負(fù)載失磁異步運行。

圖7　不同負(fù)載短路失磁后的端部損耗

圖8為轉(zhuǎn)子開路失磁后的不同負(fù)載情況下的定子端部損耗。經(jīng)過計算，開路失磁后負(fù)載至少應(yīng)該降到29.4%，端部損耗才接近于正常運行工況，不致引起端部過熱。

圖8　開路失磁后的端部損耗

綜合以上分析，在轉(zhuǎn)子開路情況下必須將負(fù)載降到29.4%左右，轉(zhuǎn)子短路情況下負(fù)載必須降到46.3%，才能滿足定子繞組、轉(zhuǎn)子鐵心、端部結(jié)構(gòu)件都不過熱。也就是說，在開路情況下，350 MW汽輪發(fā)電機失磁異步運行能力為能帶29.4%的負(fù)載安全運行，而在短路情況下，則能帶46.3%的負(fù)載安全運行。

5結(jié)語

文章采用二維和三維有限元法，在對汽輪發(fā)電機失磁異步運行仿真的基礎(chǔ)上，分析了電機失磁后的定子電流、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子鐵心損耗和定子端部損耗，最后確定了電機的失磁異步運行能力。

參考文獻

[1] 姚晴林.同步發(fā)電機失磁及其保護[M].機械工業(yè)出版社,1981.

[2] 周德貴, 鞏德林. 同步發(fā)電機運行技術(shù)與實踐[M].二版.中國電力出版社, 1995.

[3] 汪耕，李希明.大型汽輪發(fā)電機設(shè)計、制造與運行.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2000.

張建濤，女，1983年生，2009年畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電機與電器專業(yè)，碩士研究生，工程師，主要研究方向為電機設(shè)計及電機電磁場分析。

作者簡介: