大型汽轮发电机静态励磁产生的轴电压及其抑制策略仿真研究

孙昊，王宏华，陈凌，王成亮

(1. 河海大学 能源与电气学院，江苏 南京 211100; 2. 江苏方天电力技术有限公司，江苏 南京 211102)



大型汽轮发电机静态励磁产生的轴电压及其抑制策略仿真研究

孙昊1，王宏华1，陈凌1，王成亮2

(1. 河海大学 能源与电气学院，江苏 南京 211100; 2. 江苏方天电力技术有限公司，江苏 南京 211102)

摘要：随着静态励磁在大型发电机中的广泛应用，其产生的轴电压成为一个严重问题。这种轴电压过大时，会击穿轴与轴承之间的润滑油膜，造成电蚀，损害轴承等部件。分析了发电机静态励磁轴电压的产生及危害，通过对一台大型发电机励磁系统建模仿真，对轴电压防范措施进行仿真分析，验证其有效性。

关键词：发电机；轴电压；静态励磁

0引言

发电机作为电能生产的核心设备之一，在整个电力系统中扮演着不可或缺的角色，发电机的稳定运行是整个电能生产的重要一环。然而轴电压是机组稳定运行的一大隐患，这个问题目前无法完全避免。过高的轴电压会击穿发电机轴与轴承之间的润滑油膜，而产生放电现象，造成电腐蚀现象，损害轴承等发电机部件，加速机械磨损，缩短发电机寿命，严重时甚至会造成机组停机，影响到整个电网系统，造成不必要的损失[1，2]。

尤其是静态励磁系统在大型发电机中广泛应用之后，静态励磁系统会产生一个新的轴电压源，这种轴电压波形具有复杂的谐波脉冲分量，且通常幅值较大，对油膜绝缘有很大的危害。因此，对轴电压成因及抑制措施进行研究具有十分重要的意义。

1轴电压的产生原因与危害

轴电压的产生原因主要有以下几种[1-4]：

1) 磁通不对称引起的轴电压。磁通不对称的产生主要是发电机本体出现问题。因磁通不对称，产生磁通脉动，旋转的转轴切割这些脉动的磁通，就会在轴两端产生感应电压。

2) 轴向磁通引起的轴电压。由于转子绕组不对称或转子绕组发生匝间短路及两点接地短路使磁势不能全部抵消，会产生轴向不平衡磁通，使转轴磁化，发电机旋转时，在转轴两端产生感应电压，其原理和单极发电机一样，故也称单极电势。

3) 静电荷引起的轴电压。在汽轮机低压缸内，汽轮机叶片高速旋转，和蒸汽剧烈摩擦而产生静电荷，静电荷积累而形成能量很大的电压，其直流分量就是轴电压的基础。

4) 静态励磁引起的轴电压。目前，大型汽轮发电机组普遍采用静态励磁系统，一般是将交流电压通过晶闸管整流输出直流电压工作，因此不可避免在励磁系统的输出中含有脉动分量。而转子绕组和大轴之间存在耦合电容，运行中大轴会因电磁感应现象而产生交流耦合电容电压。

由电磁感应产生的轴电压，如果闭合回路中的阻抗很低，那么不需要很大的轴电压就可以产生很大的轴电流，从而损坏轴承。

静态励磁系统的广泛应用产生了一个新的轴电压源，它虽然不会产生很大的轴电流，但是会产生高频大幅值的轴电压，过高的轴电压会击穿发电机轴与轴承之间的润滑油膜而产生放电现象，造成电蚀，严重损害轴承等电机部件。

2静态励磁产生的轴电压

静态励磁系统引发的轴电压幅值很高且具有高频波动，是一种相当大的轴电压源，也是整个轴电压中的高频分量所在，在轻负荷时其峰值脉冲比重负荷时高得多，需要重点防护。

以三相全控桥整流励磁系统为例，如图1所示。其中，Ct为励磁绕组对转子铁心电容，CW为中性点对地电容，CS为轴对地电容，U1和U2为整流输出侧正极A和负极B相对中性点C的电压，则直流输出励磁电压为Ud=U1-U2，共模电压为UC=(U1+U2)/2[2]。

图1　静态励磁系统引发轴电压示意图

共模电压的典型波形为3倍基频的电压跳变矩形波，在对称的情况下，只有共模电压UC影响轴电压US，其等效电路如图2所示。共模电压UC等效为一个电压源，通过三个电容Ct，CW，CS构成一个闭合回路，轴电压为轴对地电容CS上的分压。由图2得：

(1)

式(1)表明，减小轴电压，一是要控制好励磁回路中各电容的比值；二是要使共模电压尽可能小。

图2　共模电压与轴电压等效电路

3轴电压仿真模型

通过运用Matlab/Simulink下的电力系统仿真工具箱SimPowerSystem库，对一台额定功率为1000MW的超临界机组的励磁系统进行仿真建模，主要包括静态励磁系统、励磁绕组系统和转子轴系统这三个子系统。如图3所示，它们构成了一个完整的发电机静态励磁轴电压仿真模型。仿真选用ode23tb算法，利用powergui模块进行定步长离散采样。

图3　大型发电机静态励磁轴电压仿真结构图

静态励磁子系统模型如图4所示。采用三相全控桥式整流。6脉冲发生器由阶跃信号的下降沿触发同步，将三相交流电压变换为6脉冲直流电压，共阴极组的脉冲依次差120°，共阳极组也依次差120°。所以六个晶闸管的触发脉冲相位依次差60°，同一相的上下两个桥臂的脉冲相差180°。三相桥电路模块用的是Universal Bridge模块。CW为中性点对地电容。

图4　静态励磁系统模型

发电机运行时，励磁绕组端部的漏磁通会随着运行状态的变化而改变，为了考虑端部漏磁场的影响，对绕组端部的两个线圈单独建模，中间线圈影响不大，只需集中处理即可。励磁绕组子系统仿真模型如图5所示。端部两个线圈均由一个电感和两个电容的π型电路模拟每匝导线绕组。中间12个线圈也由π型电路模拟，但是每个π型电路均模拟半个线圈。第一个线圈之后与最后一个线圈之前分别接有一个无源R-L回路，用以表示相应的励磁绕组损耗。

图5　励磁绕组系统模型

转子轴系子系统仿真模型如图6所示。定子铁心内转子的同心度决定了与频率相关的轴系状态，在一定的频率范围内，与频率相关的阻抗用无源R-L电路估计。在汽轮机部分，两个低压缸、一个中压缸、一个高压缸分别用一个相应的电感模拟即可。

图6　转子轴系系统模型

4仿真分析

4.1　共模电压与轴电压

仿真中不采取任何轴电压防护措施，将触发角分别设置为30°，并对其进行FFT频谱分析，结果如图7所示，可见轴电压波形与共模电压波形基本一致，从而应证了式(1)。从频谱图可见150Hz处的幅值远大于其他谐波频率处，由此可知轴电压的主要成分是3倍基频频率(基频为50Hz)。

图7　触发角为30°时的轴电压波形及频谱分析

4.2　汽侧接地电刷后的轴电压

仿真中，在汽侧接一个500Ω的接地电刷，触发角设为30°，轴电压波形如图8所示。图7中两个轴电压幅值均为180V左右，图8中汽机侧轴电压幅值已经变得非常小，最大幅值仅为5V左右，励侧轴电压幅值有了明显的下降，但相对汽侧轴电压而言幅值仍然很高，大概在100V左右。通过频谱分析可知150Hz处的幅值有明显下降，但是仍然大于别的频率，此时轴电压主要成分是3倍、9倍、15倍基频频率。

仿真表明汽侧接地可以有效抑制汽机侧轴电压，对励磁侧轴电压也有很好的抑制效果，但其效果不如汽机侧。

图8　汽机侧接地电刷后的轴电压仿真波形及其频谱分析

4.3　励磁侧RC接地的轴电压

仿真中，在汽机侧电刷接地的基础上，励磁侧采用RC回路接地，电阻阻值选择500Ω，并联电容取10μF左右，轴电压波形如图9所示。加装励磁侧RC回路接地后，励磁侧轴电压幅值降至11V左右，汽侧轴电压幅值也略微下降，略低于4V。频谱分析结果与汽侧电刷接地的频谱分析结果基本一致，此时轴电压依然以3倍、9倍、15倍基频频率为主。

图9　励磁侧接无源RC电路后轴电压仿真波形及其频谱分析

由此可见励磁侧RC回路接地对静态励磁引起的轴电压抑制效果是很明显的，但是整流器换流时的脉冲轴电压只能有效抑制，并不能完全消除，在发电机运行的复杂工况下，不一定能够保证脉冲轴电压幅值在安全范围内。

5结论

轴电压的严重危害正困扰着国内外电厂，尤其是采用静态励磁的发电厂。目前不少电厂正使用汽侧电刷接地、励侧加绝缘、励侧加装RC回路接地的措施来抑制轴电压的危害。本文通过运用Matlab/Simulink下的SimPowerSystem库对静态励磁引起的轴电压进行仿真，分别对上述抑制措施的效果进行对比，表明这些措施对轴电压的抑制有一定效果。

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Simulation Research on Suppression of Shaft Voltage of Large Generator with Static Excitation System

SUN Hao1, WANG Hong-hua1, CHEN Ling1, WANG Cheng-liang2

(1. College of Energy and Electrical Engineering of Hohai University, Nanjing 211100,China

2. Jiangsu Frontier Electric Technology Co., LTD. Nanjing 211102,China)

Abstract:As the static excitation is more and more widely used in the large generator, the shaft voltage become a serious problem.When shaft voltage’s value is too large, it may break the oil film between shaft and bearing, thus causing the electric erosion and serious damage in the bearing.This paper analyzes the generating cause and harm of static excitation generator shaft voltage, builds a module of static excitation system for simulation and analyzes and verifies the preventive measures.

Keywords:generator; shaft voltage; static excitation

中图分类号：TM311;TP391.9

文献标志码：B

文章编号：1671-5276(2015)02-0164-04

作者简介：孙昊(1990-)，男，江苏泰州人，硕士研究生，主要研究方向是运动控制系统。

收稿日期：2014-11-11