转子偏心对水轮发电机中性点电流的影响分析

周精明，管 醇

（1.广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司，广西 桂平 537226；2.国网湖南省电力有限公司桃源县供电分公司，湖南 常德 415700）

1 概述

随着单机容量增大，大型水轮发电机的定子绕组普遍采用每相多分支绕组结构。实际运行经验表明，任何发电机都或多或少存在转子偏心或转子不圆等原因导致的气隙不均匀现象，尤其对于转速低、定子内径大的水轮发电机，此类现象较明显。何玉灵 等[1]分析了发电机转子倾斜偏心故障前后的定子绕组相电流，推导出正常情况和转子倾斜偏心故障下的气隙磁通密度，得到定子绕组相电流的解析表达式。任杰 等[2]为计算转子偏心时的空载气隙磁场,提出基于等效变换的解析计算方法。诸嘉慧等[3]通过多回路分析计算,获得了不同转子偏心率下横差零序电流。本文基于某水轮发电机转子偏心的实际案例,利用有限元分析软件仿真分析了不同工况下中性点电流的变化，得出转子偏心会导致水轮发电机空载时中性点各支路内出现环流，偏心程度与中性点零序横差电流数值密切相关的结论，可为大型水轮发电机运行维护提供理论依据。

2 研究对象和分析方法

2.1 研究对象

某水轮发电机容量为228.6 MVA，定子为双层条式波绕组，每相采用4 个支路Y 形连接结构[4]，水轮发电机基本参数如表1 所示。发电机中性点每相每个支路配置电流互感器采集支路电流（TA3-TA6），其中每相支路1、支路3 电流和为分支1 电流（TA1），每相支路2、支路4电流和为分支2电流（TA2)；两个中性点连线上配置电流互感器采集零序横差电流（TA0）。发电机中性点CT 配置图如图1 所示。

图1 发电机中性点CT 配置图

表1 水轮发电机基本参数

2.2 运行监测及分析方法

为实时分析水轮发电机转子偏心情况，分别设置相关传感器针对定转子各个方向（每隔60°取一个测量点）的气隙进行在线监测，气隙实测数据如表2 所示。由于水轮发电机磁极是凸极形式，设计磁极中间最小气隙为δmin=23 mm，极弧边沿最大气隙为δmax=34.5 mm，测量值基本在此范围内。此外，GB/T 7894-2009《水轮发电机基本技术条件》中规定：中、低速大容量水轮发电机定子和转子间气隙的最大值或最小值与其平均值之差应不超过平均值的±8%[5]，因此初步判断气隙存在不均匀，且不均匀程度较大，超过了标准规定数值。

表2 水轮发电机气隙实测数据

3 仿真分析

采用电磁场有限元法，建立2D 全模型，按GB/T 7894-2009《水轮发电机基本技术条件》中的规定，对转子偏心8%×δmin时的情况进行了仿真分析，计算模型如图2 所示，空载耦合电路模型如图3所示，负载电路模型类似。仿真工况为空载和额定负载工况，为模拟真实情况，在中性点侧放置了电阻以提取中性点处的电流，TA0-TA6 对应图1 中各支路的CT。

图2 2D 计算模型

图3 耦合电路模型（空载）

4 结果与分析

4.1 空载工况

4.1.1 不偏心情况

为对比分析，首先对空载工况转子不偏心情况进行了仿真分析，此时空载磁场及气隙磁密波形如图4、图5 所示，各支路电流、中性点1、2 分支电流以及横差零序电流波形如图6～图8 所示，可见理想状态时各支路几乎没有环流，中性点无电流。

图4 不偏心时的空载磁场

图5 不偏心时的气隙中间磁密

图6 U 相各支路环流（不偏心时）

图7 U 相中性点1、2 分支电流（不偏心时）

图8 横差零序电流（不偏心时）

4.1.2 偏心情况

对空载工况转子偏心8%情况进行了仿真分析，此时空载磁场及气隙磁密波形如图9、图10 所示，各支路电流、中性点1、2 分支电流以及横差零序电流波形如图11～图13 所示，可见偏心时各支路出现环流，且中性点1 分支的环流为其中两个支路之和，2 分支的环流为另外两支路之和，其大小基本相等，相位相反。

图9 偏心时的空载磁场

图10 偏心时的气隙中间磁密

图11 U 相各支路环流（偏心时）

图12 U 相中性点1、2 分支电流（偏心时）

图13 横差零序电流（偏心时）

4.2 额定工况

对额定工况转子偏心8%情况进行了仿真分析，此时负载磁场及气隙磁密波形如图14、图15 所示，各支路电流、中性点1、2 分支电流以及横差零序电流波形如图16～图18 所示，可见偏心时各支路电流出现不平衡，中性点1 分支与2 分支电流约为2倍支路电流，相位相同。

图14 偏心时的负载磁场

图15 偏心时的气隙中间磁密

图16 U 相各支路环流

图17 U 相中性点1、2 分支电流

图18 横差零序电流

5 结论

实际运行经验表明，任何发电机都或多或少存在转子偏心或转子不圆等原因导致的气隙不均匀现象，尤其对于转速低、定子内径大的水轮发电机，此类现象较明显。且随着运行时间和启停次数的累计等因素，定转子间气隙会较安装调试时有所变化并趋于稳定。结合现场监测数据、现象和仿真分析结果可得出如下结论：

（1）发电机转子偏心造成气隙不均匀，会导致水轮发电机空载时中性点各支路内出现环流，偏心程度与中性点零序横差电流数值密切相关；

（2）在空载时，环流在各支路内部流通形成回路，因此各支路的电流方向自然相反（即反相位）；在负载时，负载电流由主引线（高电位）流向中性点引线（低电位），此时所有支路电流方向相同（即同相位）。