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发电机的不对称运行研究

作者: 朱海峰

  摘要:发电机的不对称运行也是属于非正常工作状态。在实际运行中,引起发电机不对称运行的原因可能是多种多样的,如不对称负荷(电气机车、电炉等)、输电线路不对称(低压网中采用的“两线一地”接线方式)以及非全相运行状态等。当同步发电机不对称运行时,由对称分量法可知,定子绕组中除了有正序电流外,还有负序电流。所以,发电机三相不对称运行的特点就是伴随着出现负序电流。
  Abstract: The generator's non-asymmetric operation belongs to normal working situation. In actual operation,the reasons that causing generators' non-asymmetric operation are diverse,such as asymmetric load (electric locomotives,electric furnace,etc.),transmission line asymmetry (the use of low-voltage network of the "two lines one place," connection ) and non-phase running status. When the synchronous generator runs in asymmetry situation,known by the symmetry,there is positive sequence current as well as negative sequence current in the stator windings. Therefore,the operational characteristics of asymmetric three-phase generator are accompanied by the negative sequence current.
  关键词:发电机;不对称运行;正序电流;负序电流
  Key words: generator;asymmetric operation;positive sequence current;negative sequence current
  中图分类号:TM31 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)12-0239-01
  
  1发电机负序电流产生的附加发热和振动
  正序电流是由发电机电动势产生的,正序电流所形成的正序磁场与转子保持同步,对转子而言是相对静止的,在转子绕组里不感应电流,这种情况下,转子的发热由励磁电流来决定。而当负序电流出现后,它除了和正序电流叠加使定子相电流可能超过额定值致使绕组过热之外,还会引起转子的附加发热和机械振动,因为当定子三相绕组中流过负序电流时,所产生的负序旋转磁场将以同步速度向转子运动的反方向旋转,在励磁绕组、阻尼绕组以及转子本体中感应出两倍额定频率(100Hz)的电流,从而引起附加发热。由于该感应电流的频率较高,集肤效应较大,不容易穿入转子深处,所以这些电流只在转子表面的薄层中流过。对汽轮发电机,通常齿部的穿透深度为几毫米,槽楔处约为1~1.7cm。因此,感应电流在转子各部分造成的附加发热集中于表面层。因此电流在转子表面的分布与鼠笼式电动机的转子电流分布相似,在转子表面沿轴向流动,在转子端部沿圆周方向流动,从而形成环流。这些电流不仅流过本体1-(线A),还流过护环2-(线B、C和D)以及芯环3-(线D)。这些电流流过转子的槽楔与齿,并流经槽楔和齿与套箍的许多接触面。这些地方的电阻较高,发热尤为严重,可能产生局部高温,以致破坏转子部件的机械强度和绕组绝缘。
  除了上述的附加发热外,负序电流所产生的负序磁场还在转子上产生两倍额定频率的脉动转矩,使发电机组产生100Hz的振动并伴有噪声。这种振动将引起金属疲劳和机械损伤,给机组带来严重危害。
  负序电流产生的附加发热和振动,对发电机的危害程度与发电机的类型和结构有关。
  汽轮发电机由于转子是隐极式的,磁极与轴为统一整体,绕组置于槽内,散热条件较差,所以负序电流产生的附加发热可能成为限制不对称运行的主要条件。而负序电流在汽轮发电机中引起的机械振动较小,因为它的转子是个圆柱体,纵轴和横轴的磁导相差不大,引起的附加振动也不大,所以机械强度的危害较小。
  2水轮发电机不对称运行时的主要条件
  水轮发电机的转子是凸极式的,散热条件较好,当它与隐极机有同样的不对称运行条件时,其附加发热温升较低,如有阻尼绕组,虽可引起阻尼绕组的发热,但阻尼绕组可以削弱负序磁场的影响,从而减轻转子的发热程度。但是,水轮发电机的转子直径较大,纵轴和横轴的磁导差别也较大,因而由负序电流所引起的机械振动较严重。同时,由于水轮发电机的机座是焊接件,承受振动的能力又较弱,所以附加振动就可能成为限制水轮发电机不对称运行的主要条件。
  发电机不对称运行时,其允许负荷主要决定于下列三个条件:①负荷最大相的定子电流,不应超过发电机定子的额定电流。②转子最热点的温度,不应超过转子绝缘材料和金属材料的允许温度。③不对称运行时出现的机械振动,不应超过允许范围,机械振动的允许值按制造厂推荐的标准确定。
  第一个条件是考虑到定子绕组的发热不超过允许值。第二个和第三个条件是针对不对称运行时出现的负序电流所造成的危害而提出来的。由于发电机的结构、材料和冷却方式等的不同,负序电流允许范围也不同。因此,不对称运行时,负序电流的允许值和允许时间都不应超出制造厂家规定的范围。如无制造厂家的规定,可参照我国规定的发电机不对称运行时的允许电流和持续时间来执行。
  现简要分析规定:
  第1项规定为当系统中发生不对称短路时,其允许持续时间t (s)由负序能力I22t允许值来计算。其中I2是等值负序电流对额定电流之比,即额定标幺值,具体由下式决定
  I2=
  式中i2――负序电流的瞬时标幺值,即负序电流瞬时值对额定电流的比值。
  当发电机装有自动调整励磁装置或强行励磁装置时,I2可按短路电流计算。
  这项规定的特点是I2值很大,持续时间t很短。I22 t代表负序能力,为热容量,它决定转子各部分的温度。所以,I22 t的允许值根据电机类型以及冷却方式而有所不同。对10万kW以下的空气冷却或者氢冷却的汽轮发电机,其负序能力I22 t=30s。对于用水直接冷却的汽轮发电机,由于定子电流密度显著增大,转子表面的涡流损失密度也增大,I22 t的允许值变小,我国规定此值等于15s。欧美各国规定的此值更小一些,一般等于10s。
  随着机组容量的增大,I22 t的允许值显著地降低。对于凸极式水轮发电机,我国规定I22 t=40s。
  关于第3项,发电机在额定负荷下连续运行时,有两个规定,一是对三相电流之差对额定电流之比的限定,规定各相电流最大差值对额定电流之比,即Imax-Imin/IN不得超过表中所列数值,具体为:汽轮发电机不得超过10%,水轮发电机不得超过20%。二是对负序电流标幺值的限定,即对I2/IN的限定。二者中一般是采用对I2/IN的限定。我国对汽轮发电机规定不得超过6%,水轮发电机不得超过12%。当发电机在低于额定负荷情况下运行时,各相电流最大差值对额定电流之比可以大于表中第3项中规定的数值,但应根据试验最后确定。
  在发电机运行时,如果发现三相电流的不对称值超过第3项规定的数值时,应立即查明原因并设法消除。如果出现的负序电流数值和持续时间超过第2项的规定,则应立即将发电机解列停机。

论文来源:《价值工程》 2010年第12期
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