大型核電汽輪發(fā)電機(jī)非全相運(yùn)行轉(zhuǎn)子動態(tài)電磁力分析

周洪華

摘要：發(fā)電機(jī)非全相運(yùn)行時，定子繞組中會流過負(fù)序電流，在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生倍頻電流，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子某些部位局部高溫，燒壞轉(zhuǎn)子，危及機(jī)組安全。此外，零序電流會注入電網(wǎng)，危害電網(wǎng)安全運(yùn)行。隨著單臺發(fā)電機(jī)容量的增加，這種危害越來越嚴(yán)重。基于此，本篇文章對大型核電汽輪發(fā)電機(jī)非全相運(yùn)行轉(zhuǎn)子動態(tài)電磁力進(jìn)行研究，以供參考。

關(guān)鍵詞：大型核電;汽輪發(fā)電機(jī);非全相運(yùn)行;轉(zhuǎn)子動態(tài)電磁力

1發(fā)電機(jī)非全相運(yùn)行的狀態(tài)

發(fā)電機(jī)產(chǎn)生振動。判斷發(fā)電機(jī)定子電流的兩個相位相等或大致相等，另一個相位的1/2時，可以判斷發(fā)電機(jī)變壓器組開關(guān)的兩個相位處于關(guān)閉狀態(tài)，一個相位處于斷開狀態(tài)。⑵如果發(fā)電機(jī)定子電流的兩個相位相等或大致相等，而另一個相位為零，則可以認(rèn)為發(fā)電機(jī)-變壓器組開關(guān)的一個相位處于關(guān)閉狀態(tài)，兩個相位處于斷開狀態(tài)。行動：如發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)未完全運(yùn)轉(zhuǎn)，禁止打開除鱗開關(guān)和關(guān)閉汽輪機(jī)主閥。發(fā)電機(jī)-變壓器的開關(guān)必須在NCS中手動重新打開。如果發(fā)生故障，則必須快速將生成器的有效載荷和無功載荷降至零。如果發(fā)電機(jī)脫敏開關(guān)不脫落，汽輪機(jī)主閥不關(guān)閉，禁止手動斷開脫敏開關(guān)。發(fā)電機(jī)定子電流應(yīng)密切監(jiān)測，勵磁電流應(yīng)根據(jù)儀表指示進(jìn)行調(diào)整，使三相定子電流接近零。立即拉動同一電路中的串聯(lián)開關(guān)，通知分發(fā)者通知明峰對面變壓器打開開關(guān)，使發(fā)電機(jī)-變壓器單元和系統(tǒng)斷開;在處理過程中，應(yīng)密切監(jiān)測發(fā)電機(jī)各部分的溫度，以確保溫度不超過允許值。如果發(fā)電機(jī)脫敏開關(guān)已觸發(fā)，但汽輪機(jī)主閥未關(guān)閉，發(fā)電機(jī)進(jìn)入異步運(yùn)行狀態(tài)，則脫敏開關(guān)可關(guān)閉以增加勵磁電流，使發(fā)電機(jī)可以再次如果解耦開關(guān)未關(guān)閉，或者發(fā)電機(jī)無法同步牽引，則立即打開發(fā)電機(jī)串聯(lián)的開關(guān)，并通知分發(fā)者通知側(cè)風(fēng)變壓器向開關(guān)牽引，以便斷開發(fā)電機(jī)-變壓器與系統(tǒng)的連接。如果脫敏開關(guān)已觸發(fā)，蒸汽輪機(jī)主閥已關(guān)閉，立即拉起開發(fā)變壓器單元串聯(lián)連接的開關(guān)，并通知分配器通知側(cè)明風(fēng)變壓器打開開關(guān)，以便斷開發(fā)電機(jī)-變壓器與系統(tǒng)的連接。如果交換機(jī)本身配置為在2.5秒鐘的非全相運(yùn)行后三相觸發(fā)（觸發(fā)非全相），或者斷路器故障保護(hù)設(shè)置為觸發(fā)相鄰的非全相運(yùn)行開關(guān)和變壓器另一側(cè)的開關(guān)通知維修部門檢查處于未打開狀態(tài)的交換機(jī)，并禁止其在正確處理之前投入使用。如果防護(hù)措施不起作用或由于其他原因，則開環(huán)運(yùn)行超出了發(fā)電機(jī)負(fù)序電流的允許水平。在重新開始之前必須徹底檢查，沒有問題，然后經(jīng)總工程師批準(zhǔn)后可以并列。

2場-路-網(wǎng)耦合模型的建立

為了分析發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)時的不完全運(yùn)行情況，建立了1407MVA渦輪發(fā)電機(jī)的機(jī)場-道路-網(wǎng)絡(luò)耦合模型。為了更準(zhǔn)確地反映并網(wǎng)發(fā)電機(jī)的操作系統(tǒng)，該模型包括渦輪發(fā)電機(jī)、勵磁和調(diào)速系統(tǒng)、電梯變壓器以及150公里雙回路航空線路連接的無限電網(wǎng)的有限元模型。本文非全相運(yùn)行是指電梯變壓器高壓側(cè)斷路器一相斷開和二相斷開條件下發(fā)電機(jī)不對稱運(yùn)行狀態(tài)。非全相運(yùn)行后，負(fù)磁力出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的相反方向，而正磁力僅出現(xiàn)在正常運(yùn)行的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向上。負(fù)磁力法使發(fā)動機(jī)磁場變形，然后影響發(fā)動機(jī)各部分的電磁力分布。因此，在分析發(fā)動機(jī)各部分的磁密度時，首先要分析發(fā)動機(jī)在非開路故障穩(wěn)定后是否在發(fā)電機(jī)的瞬態(tài)負(fù)序能力下工作，分析如下。首先，在并網(wǎng)發(fā)電機(jī)的額定運(yùn)行中出現(xiàn)兩種非全相故障時，獲得定子三相故障電流。然后，從對稱分量法獲得的故障電流中提取不同時間點的三相不對稱電流負(fù)序分量。其中，故障電流是通過有限元法計算的，并考慮了非線性因素（如電機(jī)磁場飽和）的影響。在此基礎(chǔ)上，采用對稱分量法提取負(fù)序電流分量。最后，根據(jù)發(fā)電機(jī)的瞬態(tài)負(fù)序能力要求，電機(jī)可承受的瞬態(tài)負(fù)序t的運(yùn)行時間確定如下公式所示。

?t0i 22 dt =（i2）2t = a（1），其中I2是瞬態(tài)負(fù)序電流的標(biāo)稱值;常數(shù)a與發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)、通風(fēng)和冷卻方式以及馬達(dá)A =5s有關(guān)。本文指出，在并網(wǎng)發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行中出現(xiàn)兩種非全相故障后，電機(jī)始終以瞬態(tài)負(fù)序運(yùn)行能力運(yùn)行，因此本文僅分析發(fā)動機(jī)故障后電機(jī)各部分的磁密度分布及其規(guī)律。

3非全相運(yùn)行時動態(tài)電磁力計算

3.1非全相運(yùn)行動態(tài)過程計算

若轉(zhuǎn)子直軸與A相繞組軸線重合，汽輪發(fā)電機(jī)啟動后達(dá)到平穩(wěn)運(yùn)行時，發(fā)生變壓器高壓側(cè)一相斷開故障，即電機(jī)非全相運(yùn)行。由場–路–網(wǎng)耦合模型仿真得斷路后5個周期內(nèi)定子三相電流、電磁轉(zhuǎn)矩變化情況如圖1所示。由圖1（a）可知，非全相運(yùn)行后定子電流隨時間的變化畸變越來越嚴(yán)重，首周期中，定子B相電流嚴(yán)重畸變，最大幅值為67036.1A，是B相正常工作電流幅值的1.40倍，定子A、C電流同樣也發(fā)生畸變，電流幅值減小，其幅值為46178.8A，是正常工作時的0.93倍。C相的最大值為47421.9A，其額定電流最大值的0.97倍。圖1（b）電磁轉(zhuǎn)矩的第一個周期內(nèi)最大值為8771456.25N·m，最小值為3685684.50N·m，分別為額定電磁轉(zhuǎn)矩的1.13倍和0.473倍。由此可知，故障后轉(zhuǎn)子所受電擊非常大。

3.2轉(zhuǎn)子電磁力波計算

氣隙磁場變化是研究電磁力波變化規(guī)律的基礎(chǔ)，因此，針對非全鄉(xiāng)運(yùn)行的汽輪發(fā)電機(jī)，進(jìn)行運(yùn)用時步有限元模型計算磁場變化是首要工作。非全相運(yùn)行后，汽輪發(fā)電機(jī)一個周期內(nèi)典型時刻轉(zhuǎn)子圓周上氣隙磁密波進(jìn)行諧波分析，得到典型次諧波幅值變化情況如圖2所示。

由圖2可以看出，斷路故障發(fā)生后首周期內(nèi)，1階齒諧波中變化明顯的為基波、5次、23次和25次諧波，它們的磁密幅值都增大。其中，基波磁密幅值最大為1.641T，5次諧波磁密幅值最大為0.105T，23次及25次諧波磁密幅值最大分別為0.0494T與0.0508T，磁密幅值下降的為3次諧波與9次諧波。

結(jié)束語

總之，本文主要研究了非三相運(yùn)行模式下大型核輪發(fā)電機(jī)的電磁動力動態(tài)分布及其規(guī)律。對發(fā)動機(jī)內(nèi)部電磁場作了合理的假設(shè)，采用有限元軟件在并網(wǎng)時建立了電磁場有限元模型、發(fā)動機(jī)網(wǎng)絡(luò)外部電路和現(xiàn)場有限元模型。

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