汽轮发电机失磁异步运行能力研究

张建涛，胡　刚

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨　150040)

汽轮发电机失磁异步运行能力研究

张建涛，胡刚

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150040)

摘要：汽轮发电机失磁异步运行后，其出力、定转子电流均与额定工况大不相同。判断电机的失磁异步运行能力，需要从定子线棒、转子线圈、转子铁心和定子端部四个方面的损耗大小。文章在对失磁异步运行仿真的基础上，以一台350 MW汽轮发电机为例，用二维和三维有限元法，从这四个方面加以分析，最后得到了电机的失磁异步运行能力。

关键词：汽轮发电机；失磁；异步运行

0引言

汽轮发电机失去励磁后不会马上与电网解列，而是在原动机的带动下进入异步运行状态，并向电网输出一定有功功率。这就是汽轮发电机失磁异步运行。它属于应避免而又不可能完全排除的非正常运行状态。因发电机失磁瞬间从发送无功的正常运行状态，跃变为吸收无功状态，对电网造成非常不利的大幅度无功负荷变化，故应当严格限制失磁异步运行条件。实践表明，有限的短时异步运行对发电机组运行是有利的，可能因此恢复励磁，从而避免发电机紧急掉闸对热动力设备的冲击。若不能恢复励磁，短时的异步运行也可以使机组负荷在解列前以适当速度减少以至足以转至其他机组[1-3]。

汽轮发电机失磁异步运行的能力及限值与电网容量、机组容量、有否特殊设计等有关。一般需要视具体情况具体分析，经过计算和试验来确定。当电机失去励磁后，转子以转差速度运行。转子产生异步转矩，定子、转子电流大小跟额定工况时也不一样。发电机由发出无功变为吸收无功，变为一种进相运行状态。因此，有必要对这些变化进行分析，研究它们对电机本身的影响，并从此角度分析电机所具备的失磁异步运行能力。文章以一台350 MW汽轮发电机为例，以额定定子电流、额定励磁电流以及转子铁心损耗和定子端部损耗在正常运行工况下的大小作为电机失磁异步运行能力的判断依据，利用Simulink仿真技术和电磁场有限元技术，分析在不同失磁形式、带不同负载下的定转子电流大小，转子铁心和定子端部损耗的大小，从而确定电机的失磁异步运行能力。表1为电机的基本参数。

表1　电机基本数据

1定子电流

定子线棒发热是限制电机出力的重要因素。失磁后，建立电机磁场的激磁电流也由定子方面提供，所以定子电流增大很多。图1为用Simulink软件仿真得到的带100%负载失磁后的定子电流变化曲线。可以看出，失磁后电流有效值发生了波动。取一个周期的电流进行平均，再与额定电流进行对比，从而判断电机所能承受的失磁能力。图2为不同负载发生失磁后的定子电流曲线。从图2可以看出，电机发生短路失磁后可以带80%的负载，而发生开路失磁后至少要将负载降到70%，才能保证定子线棒不发生过热。

图1　100%负载失磁后定子电流曲线

图2　失磁后定子电流有效值与负载关系曲线

2转子电流

当汽轮发电机的转子由于某种故障造成短路失磁后，由于转子电感很大，磁通不能突变，在转子回路中将感应出交变的电流，如图3所示。从图上可以看出，即使在100%负载失磁时，转子交变电流的幅值也小于正常运行时的幅值，故不会引起转子绕组的过热。因此，转子电流不构成限制电机失磁异步运行能力的因素。

图3　短路失磁后转子电流曲线

3转子铁心损耗

汽轮发电机失磁进入稳态异步运行后，将会在转子本体及各部件包括转子绕组、阻尼绕组、槽楔等感应转差频率为sf1的交流电流。该电流沿转子本体形成回路，引起转子铁心发热。因此，失磁后转子温度会上升，需要核算失磁后转子铁心上的总损耗。

由于定子和转子齿槽的存在，在气隙中存在相当比例的谐波，即使在额定工况下转子表面也会产生损耗。文章采用二维时步有限元法，计算发电机的转子铁心损耗。图4为电机在额定工况下的磁场分布和转子铁心损耗随时间变化的曲线。经过计算，正常运行时，电机转子铁心损耗为131 kW。

图4　额定工况下的场图和转子损耗曲线

将失磁后的转子电流、定子电流和转子转速作为边界条件，用上述方法计算失磁后的转子铁心损耗。图5为转子铁心平均损耗与负载关系曲线.计算结果表明，为保障电机安全运行，短路失磁后电机的负载应该降到53%左右，而开路失磁后负载至少应该降到70%。

图5　失磁后的转子铁心损耗-负载的关系

4定子端部损耗

汽轮发电机失磁异步运行是进相运行的极限情况。定子端部漏磁场与转子端部漏磁场相对空间位置发生了变化，使得两者的合成在增大。该合成磁场会在定子端部结构件中产生涡流损耗而引起发热。尤其是对直接冷却的大型电机，由于线负荷比较高，发热问题更应引起注意。它一般限制了汽轮发电机的失磁异步运行能力。

文章利用三维有限元法，计算汽轮发电机在失磁异步运行工况下的端部损耗，确定其异步运行能力。计算额定工况下的定子端部损耗，图6为计算得到的额定工况下的端部磁场分布，表2为端部各金属结构件在额定工况下的损耗大小。

图6　额定工况下的端部磁场

表2　额定时各端部结构件损耗 kW

为确定失磁后端部结构件的发热情况，将失磁后的转子电流、定子电流和转子转速作为三维有限元的边界条件，计算不同负载失磁后的端部损耗。由于失磁后的各量的波动周期很大，不可能计算每个时间点的损耗大小，所以等间隔地挑选了9个点。

图7为短路失磁后的定子端部损耗曲线。从结果可以看出，失磁后端部损耗确实显著增加。如果不降负载必然会引起端部过热，当负载降到46.3%时与正常运行时的端部损耗比较接近。故电机可以带46.3%的负载失磁异步运行。

图7　不同负载短路失磁后的端部损耗

图8为转子开路失磁后的不同负载情况下的定子端部损耗。经过计算，开路失磁后负载至少应该降到29.4%，端部损耗才接近于正常运行工况，不致引起端部过热。

图8　开路失磁后的端部损耗

综合以上分析，在转子开路情况下必须将负载降到29.4%左右，转子短路情况下负载必须降到46.3%，才能满足定子绕组、转子铁心、端部结构件都不过热。也就是说，在开路情况下，350 MW汽轮发电机失磁异步运行能力为能带29.4%的负载安全运行，而在短路情况下，则能带46.3%的负载安全运行。

5结语

文章采用二维和三维有限元法，在对汽轮发电机失磁异步运行仿真的基础上，分析了电机失磁后的定子电流、转子电流、转子铁心损耗和定子端部损耗，最后确定了电机的失磁异步运行能力。

参考文献

[1] 姚晴林.同步发电机失磁及其保护[M].机械工业出版社,1981.

[2] 周德贵, 巩德林. 同步发电机运行技术与实践[M].二版.中国电力出版社, 1995.

[3] 汪耕，李希明.大型汽轮发电机设计、制造与运行.上海：上海科学技术出版社，2000.

张建涛，女，1983年生，2009年毕业于哈尔滨理工大学电机与电器专业，硕士研究生，工程师，主要研究方向为电机设计及电机电磁场分析。

作者简介: