印度K項(xiàng)目發(fā)電機(jī)組次同步振蕩分析

陳濤

(西北電力建設(shè)調(diào)試施工研究所,陜西西安 710032)

印度K項(xiàng)目發(fā)電機(jī)組次同步振蕩分析

陳濤

(西北電力建設(shè)調(diào)試施工研究所,陜西西安 710032)

印度K項(xiàng)目發(fā)電機(jī)組在試運(yùn)中，軸系振動(dòng)在并網(wǎng)后迅速增大，機(jī)組多次跳閘。檢查后發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生了嚴(yán)重裂紋。本文簡單介紹了事件的發(fā)生過程，及現(xiàn)場分析、處理過程。本文依據(jù)發(fā)電機(jī)電流及機(jī)組振動(dòng)頻譜分析，印證了電網(wǎng)與機(jī)組次同步振蕩對軸系扭振的影響。對國外項(xiàng)目600MW及以上大容量機(jī)組避免同類問題，具有較高的借鑒意義。

電網(wǎng) 次同步振蕩 軸系扭振 轉(zhuǎn)子裂紋 頻譜分析

1 次同步振蕩概念

交流輸電系統(tǒng)中常常采用串聯(lián)電容補(bǔ)償是提高線路輸送能力、控制并行線路之間的功率分配和增強(qiáng)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的一種十分經(jīng)濟(jì)的方法。但是，串聯(lián)電容補(bǔ)償可能會(huì)引起電力系統(tǒng)的次同步諧振，進(jìn)而造成汽輪發(fā)電機(jī)組的軸系損壞。次同步諧振產(chǎn)生的原因和造成的影響可以從三個(gè)不同的側(cè)面來加以描述，即異步發(fā)電機(jī)效應(yīng)、機(jī)電扭振互作用和暫態(tài)力矩放大作用。對次同步諧振問題，主要關(guān)心的是由扭轉(zhuǎn)應(yīng)力而造成的軸系損壞。軸系損壞可以由長時(shí)間的低幅值扭振積累所致，也可由短時(shí)間的高幅值扭振所致。

國內(nèi)此問題最早出現(xiàn)在2008年，內(nèi)蒙古華能伊敏電廠600MW發(fā)電機(jī)組，因次同步振蕩造成的軸系損壞。國內(nèi)因此加強(qiáng)了對次同步振蕩的研究，2010年國家電網(wǎng)成立課題組“電網(wǎng)與機(jī)組次同步振蕩和發(fā)電機(jī)組軸系扭振問題研究”。

2 印度K項(xiàng)目次同步振蕩概述

印度K工程汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的亞臨界參數(shù)、中間一次再熱、三缸四排汽凝汽式N600-16.7/538/538型汽輪機(jī)，發(fā)電機(jī)為東方電機(jī)有限公司生產(chǎn)的QFSN-600-22G型的汽輪發(fā)電機(jī)，采用水、氫、氫的冷卻方式。

2013年5月18日機(jī)組首次并網(wǎng)，機(jī)組一切參數(shù)正常。2013年6月10日機(jī)組第3次并網(wǎng)，并網(wǎng)后因發(fā)電機(jī)軸承振動(dòng)快速持續(xù)升高，導(dǎo)致機(jī)組跳閘停機(jī)。此后多次并網(wǎng)，均出現(xiàn)并網(wǎng)后機(jī)組振動(dòng)大跳閘停機(jī)。機(jī)組振動(dòng)曲線顯示，并網(wǎng)前汽機(jī)3000rpm定速情況下汽機(jī)振動(dòng)良好(其中8Y在70um，其余都在40um左右)。而機(jī)組在并網(wǎng)后，振動(dòng)迅速增大至250um，跳閘停機(jī)。

2013年6月25日下午印度時(shí)間18：00，現(xiàn)場打開低壓缸及發(fā)電機(jī)軸承箱蓋后，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子產(chǎn)生嚴(yán)重裂紋。轉(zhuǎn)子裂紋呈斜裂紋形式，根部有黑色灼燒痕跡。

2013年7月16日在山東濟(jì)南召開了此次轉(zhuǎn)子裂紋問題的專題會(huì)議，特別邀請了國內(nèi)2008年參與處理內(nèi)蒙古華能伊敏電廠轉(zhuǎn)子斷裂的各位專家。在會(huì)上經(jīng)過專家組討論分析，初步判斷是轉(zhuǎn)子高頻劇烈扭振造成轉(zhuǎn)子損壞。而依據(jù)對發(fā)電機(jī)電流進(jìn)行頻譜分析，并與機(jī)組軸系振動(dòng)頻譜進(jìn)行對比。印證了電網(wǎng)與機(jī)組次同步振蕩進(jìn)而引發(fā)的機(jī)組軸系扭振。

表1 東汽廠提供：軸系扭振頻率---(滿足避開45-55和93-108Hz的要求)

圖1 并網(wǎng)前發(fā)電機(jī)8瓦振動(dòng)頻譜

3 次同步振蕩產(chǎn)生的原理

汽輪發(fā)電機(jī)組與交流大電網(wǎng)之間聯(lián)系的強(qiáng)弱(可以用聯(lián)絡(luò)線的阻抗來表達(dá))起著非常重要的作用。常規(guī)的電力負(fù)荷具有隨頻率而變化的特性，它們對汽輪發(fā)電機(jī)組的次同步振蕩起阻尼作用。但是，當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)組與交流大電網(wǎng)弱聯(lián)系時(shí)，這個(gè)阻尼基本上就不起作用。理論分析和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，SSO基本上只涉及大容量汽輪發(fā)電機(jī)組，這是由大容量汽輪發(fā)電機(jī)組的軸系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)造成的。

在印度KMPCL所在當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)Raipur變電站電氣一次系統(tǒng)接線圖中發(fā)現(xiàn)，KMPCL至Raipur 400kV線路末端，Raipur站內(nèi)安裝有串補(bǔ)電容FSC(65.5MVAR)和并聯(lián)電抗(50MVAR)。這種網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，在KMPCL電廠沒有投用前，是可以滿足電網(wǎng)運(yùn)行的。而一旦上述兩廠上網(wǎng)運(yùn)行，就改變了現(xiàn)有的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，發(fā)電機(jī)組與系統(tǒng)之間(主要就是末端的串補(bǔ)電容)就可能會(huì)產(chǎn)生次同步振蕩。

分析認(rèn)為只有在一系列不利因素同時(shí)作用時(shí)，才可能產(chǎn)生次同步振蕩不穩(wěn)定。這些不利因素包括：(1)汽輪發(fā)電機(jī)組與輸電整流站距離很近；(2)該汽輪發(fā)電機(jī)組與交流大電網(wǎng)聯(lián)系薄弱；(3)該汽輪發(fā)電機(jī)組的額定功率與輸電輸送的額定功率在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上。

而印度K項(xiàng)目則具備了上述所有電網(wǎng)與機(jī)組產(chǎn)生次同步振蕩的條件和環(huán)境。

當(dāng)高壓遠(yuǎn)距離輸電采用串聯(lián)電容補(bǔ)償時(shí)，電容量C與線路的電感量L組成一個(gè)固有諧振頻率F=1/[2π*根號(hào)下(LC)]

此頻率一般低于50Hz。發(fā)電機(jī)定子也出現(xiàn)頻率為的三相自激電流，在氣隙中產(chǎn)生頻率為 的旋轉(zhuǎn)磁場。此旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，低于主磁場的同步轉(zhuǎn)速。氣隙中兩個(gè)磁場同時(shí)存在對軸系產(chǎn)生一個(gè)交變扭矩，其頻率為：ft=f-fs，式中ft——交變扭矩的頻率；f——電網(wǎng)頻率；fs——串聯(lián)電容補(bǔ)償固有頻率。

如果軸系的自然扭振頻率fv正好等于交變扭矩頻率ft，即

圖2 并網(wǎng)后發(fā)電機(jī)8瓦振動(dòng)頻譜

fv=ft=f-fs或fv+fs=f

此時(shí)，發(fā)電機(jī)組軸系的自然扭振頻率fv與串聯(lián)補(bǔ)償產(chǎn)生的電磁諧振頻率fs相加恰好等于電網(wǎng)頻率f0，相互“激勵(lì)”，形成“機(jī)一電諧振”。因?yàn)閒s低于電網(wǎng)頻率，所以叫“次同步諧振”。

4 發(fā)電機(jī)電流及機(jī)組振動(dòng)頻譜分析

7月16日在山東濟(jì)南召開了此次轉(zhuǎn)子裂紋問題的專題會(huì)議，邀請了國內(nèi)專家進(jìn)行了討論，初步形成了一致意見。分析認(rèn)為，現(xiàn)場電磁力矩波動(dòng)頻率接近軸系2階固有頻率，引起機(jī)組強(qiáng)烈共振。如表1所示。

2013年7月16日16：40線路零序電壓突變量啟動(dòng)錄波，電壓曲線故障錄波圖：零序電壓達(dá)1.98V，電壓包含高次諧波，五次諧波0.56V，三次諧波0.14V。電壓波形畸變近似三角波，電流波形畸變，并網(wǎng)前后線路電流、而對發(fā)電機(jī)輸出電流進(jìn)行頻譜分析后，出現(xiàn)明顯的耦合電流分量(24.69Hz和76.08Hz)。則電磁力矩波動(dòng)頻率為26.03Hz與軸系2階固有頻率26.3Hz極度接近，滿足ft=f-fs。此時(shí)，發(fā)電機(jī)組軸系的自然扭振頻率fv與串聯(lián)補(bǔ)償產(chǎn)生的電磁諧振頻率fs相加恰好等于電網(wǎng)頻率f0，相互“激勵(lì)”，形成“機(jī)一電諧振”。引起機(jī)組強(qiáng)烈共振。

而由機(jī)組軸系振動(dòng)頻譜分析，又直接驗(yàn)證了這一分析。機(jī)組并網(wǎng)前振動(dòng)頻譜主要以工頻50Hz為主(如圖1)，而機(jī)組并網(wǎng)之后產(chǎn)生了25Hz分量和75Hz分量，25Hz幅值占工頻30%。(如圖2)

綜上所述，機(jī)組在并網(wǎng)時(shí)發(fā)生了較強(qiáng)的機(jī)電耦合共振，引起強(qiáng)烈的軸系二階扭振和橫向振動(dòng)，振動(dòng)源自電網(wǎng)側(cè)擾動(dòng)。

5 應(yīng)對措施及結(jié)論

依據(jù)專家組建議，現(xiàn)場應(yīng)對軸系扭振從以下幾個(gè)方面采取了應(yīng)對措施：(1)進(jìn)一步收集電網(wǎng)數(shù)據(jù)，要求印度電網(wǎng)部門提供SSR數(shù)據(jù)分析及報(bào)告；(2)機(jī)組安裝軸系扭振測量系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)組機(jī)電耦合扭振，并確認(rèn)保護(hù)定值；(3)分析和確定減小電網(wǎng)和機(jī)組SSR具體措施和手段，如附加勵(lì)磁阻尼控制，可控串補(bǔ)等。

2013年7月印度K項(xiàng)目#3機(jī)組在更換了新轉(zhuǎn)子后，并聯(lián)系印度當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)，退出了Raipur變電站內(nèi)安裝的串補(bǔ)電容FSC的運(yùn)行。8月3日機(jī)組再次并網(wǎng)發(fā)電，機(jī)組所有運(yùn)行參數(shù)正常。這進(jìn)一步印證了此次K項(xiàng)目#3機(jī)組軸系損壞，是由于串補(bǔ)電容FSC的運(yùn)行，引起電網(wǎng)與機(jī)組次同步振蕩，進(jìn)而引發(fā)的機(jī)組軸系扭振。

印度K項(xiàng)目在機(jī)組安裝了軸系扭振測量系統(tǒng)后，運(yùn)行中實(shí)時(shí)監(jiān)測軸系扭振參數(shù)，在出現(xiàn)異常時(shí)能夠及時(shí)報(bào)警及時(shí)處理異常情況。

如上所述，對于一些國外項(xiàng)目當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)容量較小。在建設(shè)600MW及以上容量大型機(jī)組過程中，應(yīng)該高度重視電網(wǎng)設(shè)計(jì)問題。特別在線路設(shè)計(jì)有串補(bǔ)電容時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格核算電網(wǎng)與機(jī)組產(chǎn)生次同步振蕩的可能性，避免對發(fā)電機(jī)組的損壞。

[1]1999-06-24徐政,羅惠群,祝瑞金.電力系統(tǒng)次同步振蕩問題的分析方法概述.電網(wǎng)技術(shù),1999-06-24.

[2]邱家俊,楊志安,蔡贛華.發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子軸系扭振雙重共振的理論與實(shí)驗(yàn)研究.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào),1999-09-30.

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