汽轮发电机负序能力分析计算

栾庆伟，李金香，韩 毅

（哈尔滨大电机研究所，黑龙江哈尔滨 150040）

0 引言

随着汽轮发电机单机容量的不断增加，各部分电磁负荷和热负荷以及各部分的温升也会增加，无疑会影响发电机的使用寿命和运行可靠性。正常运行时，发电机的定子电流为一稳态的正序电流—三相对称的正弦交流电流，由此对称正序电流产生的磁场为以同步速度旋转的正序旋转磁场。当发生不对称运行时，定子绕组中将会产生负序电流。该负序电流所产生的负序磁场同样以同步转速旋转，但与正序旋转磁场的旋转方向相反。因而，以同步转速旋转的发电机转子将以2倍同步转速切割该负序磁场，在励磁绕组、阻尼绕组以及转子本体中感应出2倍工频的负序电流。负序电流在发电机中将引起附加热损耗，发热将较为严重。故转子槽楔及接头、护环、外刚体容易烧毁，因此研究发电机的负序能力是十分必要的。

1 发电机的负序能力

国家标准GB／T 7064—2002《透平型同步电机技术要求》对汽轮发电机承受负序电流的能力（以下简称负序能力）作了规定（如表1所示）。标准分为两部分。一是稳态负序能力，指发电机在正常运行方式下，所能长期承受负序电流的能力。它主要决定于转子绝缘材料长期允许的最高温度，并以负序电流的标么值I2／IN表示。另一个是暂态负序能力，指发电机发生不对称故障及单相重合闸操作时，所能承受的短时负序电流的能力。它取决于转子表面各结构件的温度及它们的耐温特性，如表2所示（JB／T 8445—1996《三相同步电机负序电流承受能力试验方法》）。以（I2／IN）2t表示，其中t为故障运行时间（s）。

表1 不平衡负载运行限值

表2 转子各结构件允许最高温度

2 计算方法

以一台150MW汽轮发电机为例，对该汽轮发电机的负序能力进行分析。采用有限元方法计算转子表面涡流损耗，转子有限元剖分网格模型如图1所示。由于负序电磁场在转子上透入深度较小，考虑这一特点，用表面阻抗概念处理成平面问题。考虑到转子结构对称及重复的特点，忽略端部效应后可取有效部分两横向槽之间区域的一半，和一个极距范围的转子表面作为求解区。为了简化成二维问题，将横向槽折转90°，使其侧面与转子表面保持在一个平面内，涡流损耗求解场域如图2所示。采用矢量电位→—T作为分析变量，用有限元法进行求解，即可求出涡流损耗分布。

以负序涡流场算得的负序损耗为热源，根据传热原理可计算转子的温度分布。为了简化，假定转子轴向均匀，因此可只考虑转子的横截面，并且考虑到大齿区结构的实际情况，只要计算半个大齿区就足够了，温度场求解域如图3所示。

图3 温度场求解域

根据电机定子内圆散热系数计算及通风冷却的经验，确定转子表面散热系数为250W／℃·m2，并假定大齿和小齿交界处的温度为100℃，转子表面的初始温度为70℃，转子表面风温为55℃。

3 计算结果

根据上述方法对该发电机的稳态负序温度和瞬态负序温度进行了计算。计算结果稳态负序最高温度为95.3℃，瞬态负序最高温度为336℃，稳态及瞬态损耗分布和温度分布分别如图4，图5所示。稳态负序电流为10%时，最高温度为95.3℃，在阻尼槽楔上；瞬态负序为＝10s时，最高温度为336℃，在阻尼槽楔（不锈钢）和转子交接处且在极中心侧。与表2对比可知，稳态负序能力可以满足相关要求，瞬态负序能力不能满足相关要求（参考表2中的合金钢）。由于瞬态负序损耗过大，导致瞬态负序温升局部过高。需要说明的是该计算中未考虑齿谐波和高次谐波的影响。若考虑这些谐波的影响，其温度会有所升高。

由于瞬态负序能力不能满足相关要求，在实际设计过程中可以适当考虑增加转子大齿上阻尼条数量，以及横向槽深度，然后以第2节中所述方法进行计算校核，直到满足相关要求，在此不再赘述。注意横向槽的深度与转子的刚度、挠度关系密切，调整时应注意。在多数情况下，通过选取适当的阻尼方式和调整阻尼条根数便可解决负序能力不足的问题。槽楔和阻尼环、齿、片可进行镀银处理，也可提高发电机的负序能力。当然也有设计方案本身有缺陷的情况，例如定子线负荷过大，也会对发电机的负序能力有影响，那么应对设计方案进行适当的调整，直到满足各相相关规定。

4 结语

该文以一台150MW空冷汽轮发电机为例，采用有限元方法计算转子求解区域的涡流损耗和温升，并根据所得结果以及各部分温升限值对该电机的负序能力进行了判断。对于不满足相应负序能力的情况下，给出了一些调整方法和建议。对发电机设计和电站运行操作过程具有十分重要参考意义。