發電機定轉子氣隙不平衡時定子支路循環電流計算

李聲寶，劉永恒，王金昊（東芝水電設備（杭州）有限公司，杭州 310000）

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發電機定轉子氣隙不平衡時定子支路循環電流計算

李聲寶，劉永恒，王金昊
（東芝水電設備（杭州）有限公司，杭州 310000）

[摘要]本文以四川某發電機為例，根據定、轉子氣隙分布變化對電磁場分布產生影響，對由此產生的定子支路間循環電流進行了計算，分析了循環電流產生帶來的影響，解釋了機組正常運行時零序橫差電流的產生，并為橫差保護的整定值提供參考，提高橫差保護的準確性和有效性。

[關鍵詞]氣隙不平衡；循環電流；電磁場；橫差電流保護

0　引言

現階段，多支路大型水輪發電機中，對主保護配置方案的設計都是以內部短路分析計算為基礎，通過對內部短路的故障特點進行定量分析計算，能夠有效地選擇主保護方案，使得主保護性能達到比較理想的效果。但機組定、轉子偏心或橢圓度較大時會導致磁場在定子圓周方向分布不均勻，定子繞組各支路將感應出不同電動勢，導致機組正常運行時各支路內會產生循環電流，從而影響中性點保護動作的準確性。

本文根據四川某電站1號發電機發生的零序電流橫差保護頻繁報警問題，對發電機橫差電流報警原因的各種情況進行了分析，對1號至3號發電機組由于定、轉子氣隙分布不平衡引起的循環電流進行了分析計算，最終確定是由于定、轉子氣隙不平衡時引起的循環電流，導致零序橫差電流值較大，進而導致發電機故障錄波器頻繁報警。

1　發電機基本參數及主保護方式

發電機基本參數見表1。

表1　發電機基本參數表

發電機內部主保護配置方案如圖1所示，將每相的1、3支路接在一起，形成中性點O1；再將每相的2、4支路接在一起，形成中性點O2。

在O1- O2之間接一個P級電流互感器TA0，并分別在每相的1、3支路組和2、4支路組上接TPY型支路電流互感器TA1～TA6，且有TPY型機端相電流互感器TA7～TA9，以構成一套零序電流型橫差保護、一套完全裂相橫差保護和一套完全縱差保護（其中性點側相電流取自每相已有的兩個支路TA）的保護方案。

圖1　發電機內部主保護圖

2　計算條件及計算原理

計算條件：（1）定轉子氣隙檢查沿圓周方向共8處，根據這8處的氣隙平均值，將發電機定轉子整個圓周進行擬合，其他位置的氣隙根據擬合尺寸進行計算；（2）定子各相各支路直流電阻與定子漏抗相比很小，為了計算簡化，在做電動勢計算時忽略直流電阻。

計算原理：根據電磁感應定律：

E=BLV

B——磁通密度，T；

L——導體長，m；

V——導體相對轉子線速度，m/s。

理論上，發電機各槽內定子線棒產生的電動勢（有效值）會相等，但當轉子發生偏心或者橢圓度較大時，氣隙大小的不均勻會致每槽導體所在的氣隙磁密略有不同，而會導致不同槽的定子線棒所在位置的磁感應強度不同，故各線棒導體內產生的感應電動勢也不盡相同。

根據該電站現場采集的實時氣隙數據，見表2-4。將所有槽的定轉子氣隙進行擬合，并計算每槽對應導體的電動勢，然后進行矢量合成，計算出循環電流的大小。

電氣回路圖如圖2所示，E為內部電動勢，U為端電壓，Zg為每相每支路漏電抗。

對U相利用網孔電流法列方程組式（1）-（3）：

對V相利用網孔電流法列方程組（1）'至（3）'：

對W相利用網孔電流法列方程組（1）''至（3）''：

根據上述各方程組算出單獨每相產生的循環電流：

表2　1號發電機定轉子氣隙分布

圖2　電氣回路圖（僅列1相）

三相循環電流矢量合成計算如下：

表3　2號發電機定轉子氣隙分布

表4　3號發電機定轉子氣隙分布

3　氣隙不平衡循環電流計算

表5-7是根據1-3號發電機實際氣隙情況計算出槽電動勢之后，根據槽電動勢對各支路電動勢合成情況。

表5-7中，R—實部分量；I—虛部分量；E—矢量合成。

通過各相各支路感應電動勢情況，結合公式（7），可以計算出機組的橫差電流值，即定子支路間循環電流的大小，其結果見表8。

表5　1號發電機各相各支路感應電動勢合成

表6　2號發電機各相各支路感應電動勢合成

表7　3號發電機各相各支路感應電動勢合成

通過對該電站1號至3號發電機的支路間循環電流的計算，發現定轉子氣隙偏差相對較大的1號機內所產生的循環電流會相對較大，雖然計算值與實際測量值存在一定的偏差，但大小的趨勢與電站實際測量情況基本吻合。考慮根據對定子圓周方向8處測量的氣隙值擬合結果與實際氣隙值存在一定的誤差，對循環電流計算的準確性有一定的影響，計算結果與測量值有偏差是可以理解的。

根據該電站定子繞組電阻可以算出，當額定工況下，1號機橫差電流為310A時，所增加的額外損耗約為2.7kW，故這部分損耗引起的溫升基本可忽略不計，實際運行情況也可看出，橫差電流偏大時，溫升并沒有發生變化。

表8　發電機橫差電流計算值與實際值的比較

4　結論

（1）機組氣隙分布情況對發電機定子支路間循環電流有一定的影響，氣隙不平衡情況越嚴重，越會導致循環電流的增加，但具體情況也需要結合定子主保護方案來確定。

（2）通過氣隙分布不平衡導致循環電流的增加，可以為橫差保護計算提供參考，可根據機組橫差電流保護監測值的實際情況，將橫差保護整定值適當調高，以避免誤報警，同時兼顧保護的靈敏度，不影響橫差保護的有效投入.

（3）要求安裝公司在實際安裝作業過程中精益求精，讓氣隙分布情況盡可能均勻，把發電機偏心磁拉力和循環電流控制到最小，保證機組長期安全可靠地運行。

[參 考 文 獻]

[1]桂林, 鐸良, 楊忠國, 等. 反思低轉速大型水輪發電機定子繞組形式的選擇[J]. 大電機技術, 2013.

[2]白延年. 水輪發電機設計與計算[M]. 北京: 機械工業出版社, 1982.

[3]許實章. 交流電機的繞組理論[M]. 北京: 機械工業出版社, 1985.

[4]諸嘉慧, 邱阿瑞. 大型水輪發電機轉子偏心磁場的計算[J].大電機技術, 2007(3): 1-3.

李聲寶（1978-），2002年畢業于合肥工業大學，現從事水輪發電機設計工作，工程師。

審稿人：李桂芬

Circulating Current Calculation among Stator Branches Cursed by Air Gap Distribution Unbalance of Generator Stator and Rotor

LI Shengbao, LIU Yongheng, WANG Jinhao
(Toshiba Hydro Power (Hangzhou) Co., Ltd., Hangzhou 310000, China)

Abstract:The paper is based on one Power Station generator, according to stator and rotor air gap distribution that impacts electromagnetic field distribution, calculated the circulating current among the stator branches, analyzed the influence of the circulating current, explained zero-sequence transverse differential current generation during normal operation of units, and provided a reference for the calculation of transverse differential protection. It will improve the accuracy and effectiveness of transverse differential protection.

Key words:air gap unbalance; circulating current; electromagnetic field; transverse differential protection

[作者簡介]

[中圖分類號]TM31

[文獻標識碼]A

[文章編號]1000-3983(2016)01-0010-03