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汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組缺線圈運(yùn)行時(shí)的負(fù)序過(guò)負(fù)荷保護(hù)分析

2014-09-25 07:19:08張琦雪馮桂青沈全榮
電力自動(dòng)化設(shè)備 2014年1期
關(guān)鍵詞:磁動(dòng)勢(shì)負(fù)序基波

張琦雪,馮桂青,陳 俊,嚴(yán) 偉,沈全榮

(1.南京南瑞繼保電氣有限公司,江蘇 南京 211102;2.深圳能源集團(tuán)股份有限公司,廣東 深圳 518031)

0 引言

眾所周知,汽輪發(fā)電機(jī)有負(fù)序電流時(shí),在負(fù)序磁場(chǎng)的作用下,實(shí)心轉(zhuǎn)子表面將產(chǎn)生渦流損耗,嚴(yán)重時(shí)將損傷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯。通過(guò)發(fā)電機(jī)負(fù)序能力穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)和暫態(tài)試驗(yàn)[1-4],或者有限元電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)的分析計(jì)算[5-7],已能夠較為準(zhǔn)確地確定汽輪發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)負(fù)序能力,也有學(xué)者采用阻尼參數(shù)模型分析計(jì)算轉(zhuǎn)子上的負(fù)序損耗[8]。

國(guó)內(nèi)YT電廠一臺(tái)中等容量汽輪發(fā)電機(jī),臨時(shí)去除B相繞組匝間絕緣異常的2匝線棒后,發(fā)電機(jī)缺線圈運(yùn)行,實(shí)測(cè)有負(fù)序電流,因電廠用戶擔(dān)心負(fù)序電流損傷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子,需要評(píng)估電樞電流的影響?,F(xiàn)場(chǎng)條件無(wú)法直接進(jìn)行負(fù)序電流能力試驗(yàn),而有限元仿真計(jì)算需要考慮三相繞組不對(duì)稱,比較復(fù)雜。

本文提出簡(jiǎn)化計(jì)算方法評(píng)估電樞電流的影響,基本思路是假設(shè)在故障相上增加1個(gè)“疊加繞組”,采用疊加原理,分析并計(jì)算出電樞反應(yīng)的反轉(zhuǎn)基波磁動(dòng)勢(shì)與正序、負(fù)序電流之間的定量關(guān)系,進(jìn)一步計(jì)算得到等效的負(fù)序電流。因繞組不對(duì)稱,正序電流也會(huì)產(chǎn)生反轉(zhuǎn)的基波磁動(dòng)勢(shì)。通過(guò)定量估算,確定是否要降低長(zhǎng)期允許負(fù)序電流值I2∞和承受負(fù)序電流能力的常數(shù)I22t。

1 發(fā)電機(jī)參數(shù)及定子繞組缺線圈情況

1.1 發(fā)電機(jī)參數(shù)

定子繞組缺線圈運(yùn)行的事故發(fā)電機(jī)為一臺(tái)中等容量的汽輪發(fā)電機(jī),型號(hào)為QFW-6.8-2-10.5,基本參數(shù)如下:額定容量、電壓分別為6.8 MW、10.5 kV;額定功率因數(shù)為0.8;定子繞組三相,每相1個(gè)分支,連接成Y形;定子槽數(shù)為48;定子繞組線圈的節(jié)距y1=19;定子繞組線圈的極距τ =24;定子繞組連接方式為雙層疊繞,60°相帶;定子繞組每槽導(dǎo)體數(shù)為6,即定子繞組各線圈有3匝。

1.2 定子繞組缺線圈情況

發(fā)電機(jī)經(jīng)歷過(guò)幾次非同期并網(wǎng)的沖擊,停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)B相絕緣損傷,定子第42槽下層2根導(dǎo)體之間的絕緣損壞。按生產(chǎn)計(jì)劃,急于恢復(fù)發(fā)電,沒(méi)有足夠的大修時(shí)間。考慮到故障匝數(shù)很少,去除故障匝后,對(duì)三相繞組的不平衡度影響很小,且發(fā)電機(jī)定子繞組為單Y接法,沒(méi)有并聯(lián)分支,不存在并聯(lián)分支之間的環(huán)流,因此,臨時(shí)將第42槽下層的2個(gè)故障匝切斷隔離,保留剩下的1個(gè)線圈匝,僅用2~3 d的時(shí)間恢復(fù)了發(fā)電。

2 定子繞組缺線圈后空載電勢(shì)的不平衡度

設(shè)定子繞組各線圈的基波感應(yīng)電勢(shì)大小相同,則根據(jù)繞組連接的關(guān)系,得到B相各線圈電勢(shì)和相繞組電勢(shì)的相量關(guān)系,如圖1所示。

圖1 B相線圈基波電勢(shì)和相繞組基波電勢(shì)Fig.1 Coil fundamental voltage and winding fundamental voltage of phase B

圖1中,槽距角θ=7.5°,各線圈電勢(shì)的下標(biāo)是線圈末端所在的定子槽號(hào)。由上述關(guān)系,可計(jì)算出B相繞組缺線圈前后的基波電勢(shì) UB、U′B。

其中,Um是線圈基波電勢(shì)的幅值,φ37是B相第1個(gè)線圈(線圈末端在第37號(hào)槽)基波電勢(shì)U37的相角。進(jìn)一步計(jì)算得:

即B相電壓幅值減少了3.89%,相角向A相偏移了1.15°。用負(fù)序電壓與正序電壓之比衡量三相電壓的不平衡度,假設(shè)缺線圈前三相基波電勢(shì)完全對(duì)稱,大小相等,彼此互差120°,則缺線圈運(yùn)行后,三相電壓的不平衡度為:

發(fā)電機(jī)組缺線圈運(yùn)行后,實(shí)測(cè)了2組發(fā)電機(jī)空載電壓,結(jié)果如表1所示。

由于實(shí)測(cè)的非故障相(A相和C相)電壓不完全相等,這里取A相和C相電壓的平均值作為參考。實(shí)測(cè)結(jié)果97.4%與理論計(jì)算值96.11%比較接近。

表1 空載電壓實(shí)測(cè)結(jié)果Tab.1 Measured voltages without load

3 負(fù)序電流的實(shí)測(cè)

發(fā)電機(jī)缺線圈情況下并網(wǎng)運(yùn)行,三相繞組不對(duì)稱,有負(fù)序電流產(chǎn)生。由于擔(dān)心負(fù)序電流過(guò)大而損傷轉(zhuǎn)子,現(xiàn)場(chǎng)對(duì)部分工況的負(fù)序電流I2進(jìn)行了實(shí)測(cè),結(jié)果如表2所示。

表2 負(fù)序電流實(shí)測(cè)結(jié)果Tab.2 Measured negative-sequence currents

由表2可知,負(fù)序電流接近額定電流(467.4 A)的6.2%。該負(fù)序電流雖然在國(guó)標(biāo)允許的范圍內(nèi),但是使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子長(zhǎng)期處于有渦流發(fā)熱的狀態(tài),同時(shí)定、轉(zhuǎn)子之間存在2倍頻的電動(dòng)力,可能引起定、轉(zhuǎn)子鐵芯的振動(dòng),存在潛在危害。

4 電樞反應(yīng)反轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的分析

4.1 電樞電流與反轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的關(guān)系

用疊加原理分析電樞反應(yīng)反轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì),僅分析基波。為不失一般性,假設(shè)A相繞組缺少了幾匝。為了描述上的簡(jiǎn)潔,對(duì)于電壓、電流、磁動(dòng)勢(shì)等,下文中如果沒(méi)有特別說(shuō)明,均指“時(shí)間基波”或“空間基波”。

假設(shè)有一個(gè)“疊加繞組”A′X′,該繞組放置在缺失的故障匝位置處。缺線圈運(yùn)行時(shí),A相繞組等效為正常繞組 U2U1與疊加繞組 A′X′相串聯(lián),繞組 A′X′流過(guò)A相電流后,產(chǎn)生相反的磁動(dòng)勢(shì)和電勢(shì),抵消正常繞組U2U1中對(duì)應(yīng)的缺失的那幾匝繞組的磁動(dòng)勢(shì)和電勢(shì),如圖2所示。

圖2 繞組疊加示意圖Fig.2 Schematic diagram of winding superposition

設(shè)定子繞組流過(guò)三相電流 IA、IB、IC,用對(duì)稱分量法,將電流分解成正序電流I1和負(fù)序電流I2;發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)不接地或高阻抗接地,故忽略零序電流。

顯然,正序電流I1在正常三相繞組中不產(chǎn)生反轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì),負(fù)序電流I2在正常三相繞組中產(chǎn)生反轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)F-∑ABC,2。又因?yàn)镮A=I1+I2,所以電流I1和I2流過(guò)疊加繞組A′X′,并且分別在A′X′上產(chǎn)生各自的脈振磁動(dòng)勢(shì) FA′X′,1和 FA′X′,2。 每個(gè)脈振磁動(dòng)勢(shì)可以分解為大小相等、旋轉(zhuǎn)方向相反的正轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)和反轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì),所以又有對(duì)應(yīng)的反轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì) F-A′X′,1和 F-A′X′,2。所有反轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)∑F-產(chǎn)生反轉(zhuǎn)磁密∑B-,反轉(zhuǎn)磁密在勵(lì)磁繞組上感應(yīng)2倍頻電流,并在實(shí)心轉(zhuǎn)子上感應(yīng)2倍頻渦流,轉(zhuǎn)子上等效的2倍頻電流Ifd同樣產(chǎn)生反轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)F-fd。綜上所述,三相繞組對(duì)稱和缺線圈的三相繞組不對(duì)稱情況下,電流產(chǎn)生反轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的示意圖如圖3所示。

圖3 反轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)示意圖Fig.3 Schematic diagram of MMFs

從圖3(b)可以看出,當(dāng)定子繞組中沒(méi)有負(fù)序電流時(shí),正序電流也會(huì)因繞組不對(duì)稱而產(chǎn)生少量的反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。因此,對(duì)于三相繞組不對(duì)稱的情況,僅用負(fù)序電流的大小估計(jì)轉(zhuǎn)子渦流發(fā)熱是不嚴(yán)格的。

4.2 電樞反應(yīng)的反轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的計(jì)算

以A相繞組U2U1的軸線+A為基準(zhǔn)位置,將定子內(nèi)圓展開(kāi)成一條直線,直線上的位置用空間電角度α表示。由電機(jī)學(xué)的知識(shí)可知,負(fù)序電流流過(guò)三相完整的繞組時(shí),產(chǎn)生的脈振磁動(dòng)勢(shì)f-A、f-B、f-C都是α的函數(shù):

將三相磁動(dòng)勢(shì)合成反向旋轉(zhuǎn)的磁動(dòng)勢(shì),可得:

將其表示成空間向量為:

設(shè)疊加繞組A′X′的軸線位置為+A′,相對(duì)于軸線+A在空間上偏轉(zhuǎn)的電角度為β。電流IA=I1+I2流過(guò)疊加繞組A′X′。正序電流I1在A′X′上產(chǎn)生的脈振磁動(dòng)勢(shì)為:

fA′X′,1的反轉(zhuǎn)分量寫成空間向量形式為:

類似地,負(fù)序電流I2在A′X′上產(chǎn)生的脈振磁動(dòng)勢(shì)為:

fA′X′,2的反轉(zhuǎn)分量寫成空間向量形式為:

電樞反應(yīng)的反轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)為:

5 負(fù)序過(guò)負(fù)荷保護(hù)

5.1 等效負(fù)序電流的計(jì)算

為防止轉(zhuǎn)子表層因渦流而過(guò)熱損傷,同步發(fā)電機(jī)都配置了負(fù)序反時(shí)限過(guò)負(fù)荷保護(hù),該保護(hù)的動(dòng)作特性大多采用負(fù)序過(guò)電流倍數(shù)與允許持續(xù)時(shí)間t的關(guān)系曲線:

其中,C是轉(zhuǎn)子表層承受負(fù)序電流能力的常數(shù)I22t,I2*是實(shí)測(cè)的負(fù)序電流標(biāo)幺值,I2∞是發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期允許負(fù)序電流標(biāo)幺值。

對(duì)于三相繞組對(duì)稱的情況,用負(fù)序電流反映轉(zhuǎn)子表層渦流,認(rèn)為轉(zhuǎn)子表層渦流正比于。文獻(xiàn)[9]實(shí)測(cè)結(jié)果指出,端部阻尼環(huán)中實(shí)測(cè)的渦流與定子負(fù)序電流成正比。

對(duì)于定子繞組缺線圈運(yùn)行的情況,本文仍認(rèn)為轉(zhuǎn)子表層渦流正比于電樞反應(yīng)反轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。因此可計(jì)算等效的負(fù)序電流:

化簡(jiǎn)上式可得:

其中,^表示共軛。

YT電廠缺線圈運(yùn)行的發(fā)電機(jī)是B相缺線圈,將原ABC三相看成CAB三相,應(yīng)用上面的公式計(jì)算等效的負(fù)序電流。需要說(shuō)明的是,以B相為參考計(jì)算出的正序電流或負(fù)序電流,和以A相為參考計(jì)算出的結(jié)果相比,大小不變,只是相位不同。

其中,β為圖1中U′B-UB與UB之間的夾角。

按保守計(jì)算,等效負(fù)序電流的最大可能值為:

5.2 參數(shù)I2∞值與I22t值的校核

為確保臨時(shí)缺線圈運(yùn)行的發(fā)電機(jī)不受負(fù)序電流的損害,一方面要密切關(guān)注發(fā)電機(jī)負(fù)序電流的大小,另一方面要重新校核負(fù)序過(guò)負(fù)荷保護(hù)定值。

經(jīng)核查,原保護(hù)定值參照DL/T684—1999《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》,定值整定時(shí),I2∞取 0.08 p.u.,I22t取 8 s,該參數(shù)是轉(zhuǎn)子直接冷卻的大型汽輪發(fā)電機(jī)的負(fù)序能力參數(shù),用在這里是不對(duì)的。

YT電廠這臺(tái)發(fā)電機(jī)為中等容量汽輪發(fā)電機(jī),轉(zhuǎn)子冷卻方式為間接空冷,轉(zhuǎn)子線負(fù)荷低,其穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)負(fù)序能力都要超過(guò)直接冷卻方式的大容量汽輪發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)負(fù)序能力。查閱早期相似機(jī)組的負(fù)序能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果[10],以及相關(guān)技術(shù)規(guī)程[11],該發(fā)電機(jī)在不缺線圈的情況下,I2∞應(yīng)該取0.1 p.u.,I22t應(yīng)該取15 s。

對(duì)于臨時(shí)缺線圈運(yùn)行的發(fā)電機(jī),如果采用微機(jī)保護(hù)裝置,理論上完全可以參考式(11)計(jì)算等效的負(fù)序電流,進(jìn)行負(fù)序過(guò)負(fù)荷保護(hù)。然而,發(fā)電機(jī)只是臨時(shí)缺線圈運(yùn)行,沒(méi)有必要為此修改微機(jī)保護(hù)的計(jì)算程序。這里參照式(12),定量估算,確定是否要降低 I2∞和 I22t。

先研究I2∞值。按發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行在額定負(fù)荷下估算,取 I1=1.0 p.u.,Ieq,2=0.1 p.u.,則:

即實(shí)測(cè)的負(fù)序電流I2超過(guò)0.0868 p.u.時(shí),等效負(fù)序電流Ieq,2就有可能超過(guò)0.1 p.u.。保守起見(jiàn),負(fù)序過(guò)負(fù)荷保護(hù)用到的參數(shù)I2∞可取0.085 p.u.。

再研究I22t值。按發(fā)電機(jī)機(jī)端兩相短路工況估序電流,其中X1為直軸超瞬變抗,X2為負(fù)序電抗。 參考式(12),可知 Ieq,2≤1.00135I2,即兩相穩(wěn)態(tài)短路時(shí),等效的負(fù)序電流Ieq,2跟實(shí)測(cè)的負(fù)序電流I2相當(dāng),不會(huì)更大。因此,參數(shù)I22t可不變。暫態(tài)過(guò)程中直流分量有影響[6],這里認(rèn)為小匝數(shù)缺線圈的前后,直流分量影響變化不大。

實(shí)測(cè)結(jié)果為缺線圈運(yùn)行的發(fā)電機(jī)負(fù)序電流在0.062 p.u.以下,接近0.08 p.u.。為確保機(jī)組不受傷害,需要注意:在運(yùn)行中加強(qiáng)發(fā)電機(jī)鐵芯溫度、出口風(fēng)溫、軸承振動(dòng)的監(jiān)測(cè);盡量降低勵(lì)磁電流運(yùn)行,以減輕轉(zhuǎn)子的發(fā)熱程度;向主機(jī)廠咨詢確認(rèn)該機(jī)組的轉(zhuǎn)子表層負(fù)序電流承受能力(得到答復(fù)I2∞=0.1 p.u.已是較為安全的保守?cái)?shù)據(jù));合理安排生產(chǎn),盡快停機(jī)大修。算。因?yàn)槎ㄗ永@組缺失的匝數(shù)很小,可粗略地認(rèn)為發(fā)電機(jī)機(jī)端發(fā)生兩相短路故障時(shí),穩(wěn)態(tài)正序電流與負(fù)

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)一臺(tái)實(shí)際缺線圈運(yùn)行的發(fā)電機(jī),提出簡(jiǎn)化計(jì)算方法,采用疊加原理,分析并計(jì)算了電樞反應(yīng)的反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁動(dòng)勢(shì)與正序、負(fù)序電流之間的定量關(guān)系。缺線圈運(yùn)行后三相繞組內(nèi)部不對(duì)稱,正序電流也會(huì)產(chǎn)生反轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。通過(guò)定量計(jì)算,建議向下調(diào)整長(zhǎng)期允許負(fù)序電流值,承受負(fù)序電流能力的常數(shù)則不需要改變。

這臺(tái)發(fā)電機(jī)缺線圈運(yùn)行了4個(gè)多月后,停機(jī)大修,經(jīng)檢查轉(zhuǎn)子無(wú)損傷痕跡,徹底修復(fù)故障匝后,重新投入運(yùn)行。

本文提出估算電樞電流對(duì)轉(zhuǎn)子表層過(guò)負(fù)荷的影響的方法,有如下局限性:只分析了基波磁動(dòng)勢(shì),沒(méi)有計(jì)及諧波的影響;只適用于分析定子繞組為單Y結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)。要想準(zhǔn)確分析相關(guān)影響,還是應(yīng)該借助有限元計(jì)算方法。

致 謝

筆者曾電話咨詢東方電機(jī)股份有限公司高級(jí)工程師侯小全。東方電機(jī)有過(guò)處理該問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn):?jiǎn)蝁繞組發(fā)電機(jī)匝間故障后,如果故障線圈很少,可以臨時(shí)缺線圈、不對(duì)稱運(yùn)行;如果擔(dān)心負(fù)序電流的影響,也可以臨時(shí)將非故障相對(duì)應(yīng)的繞組線圈隔離,使發(fā)電機(jī)定子三相繞組對(duì)稱,當(dāng)然最終還是要徹底修復(fù)電機(jī)繞組。特此致謝!

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