发电机的负序能力分析和提高措施.doc

发电机的负序能力分析和提高措施河南省濮阳市热电厂（457000） 韦红军摘要：负序能力是发电机的重要性能指标之一，直接关系到电力系统和发电厂的安全稳定运行。本文对发电机负序电流的简易计算、危害、确定因素及防范措施等进行了分析，提供了一些有效的提高负序能力的技术措施。通过这些措施的落实，可以严防负序电流烧毁转子，保证电力系统和发电厂的安全稳定运行。关键词：发电机 负序能力 稳态负序能力 暂态负序能力 确定因素 防范措施1 概述当发电机三相负荷不对称时，在定子绕组电流中，除正序分量外，还会出现负序分量。正序分量与正常工作电流一样，而负序电流则不然。首先它使定子三相电流不平衡，个别相绕组的电流有可能超过额定值而引起过热，负序磁场在励磁绕组、阻尼绕组和转子本体感应出很大的100HZ的交流电流引起发热（表面更为严重），严重时可能烧毁绕组。其次，负序旋转磁场对转子轴和定子机座产生100HZ的交变电磁力矩，使其振动增大。发电机承受负序电流的能力即负序能力，是发电机的重要性能指标之一，它对发电机的设计、制造和运行都有很大的影响。目前，发电机的负序能力可以由试验确定，也可以由计算确定。2 负序电流的简易计算发电机处于长时间的不对称运行或在发生不对称短路的故障中，我们可以采用对称分量法，得到计算负序电流的公式：İ 2=1/3（İ A+a2 İ B+a İ C）İ其中，İ 2：为负序电流İ A、İ B、İ C：分别为发电机三相电流a：为运算因子，a=ej120=-1/2+j3/2 在实际中，我们经常采用以下一些简易计算方法：2.1 发电机三相电流不相等时的计算在一般情况下，如果发电机的三相电流有差别，可以近似地采用下列公式计算负序电流I2：I10.55（IA+IC）I2IB-I1其中，I1：为正序电流IA、IC：为发电机中较小两相的电流 IB：为发电机中最大一相的电流2.2 一相电流最大两相电流相等时的计算 在实际中经常遇到这种情况，如果我们假设是IA=IC，此时可以采用下列公式计算负序电流I2： 当IB/IA 1.7时，可以由下式计算：I2=IB/2.2(IB/IA-1)2.3 发电机一相对中性点短路时的计算 当发电机一相对中性点短路，其余两相开路时，假设IA=IA，IB=0，IC=0，则负序电流为： I2=1/3IA2.4 发电机两相短路时的计算 当发电机出现两相稳定短路，其余一相开路时，则负序电流为： I2=IB/32.5 主变压器高压侧一相断线时的计算假设发电机变压器组运行，主变压器绕组接成Y形接线，中性点绝缘，当变压器星形侧一相断线时，负序电流为：I2=IA=IC=IB/23 负序负序电流的危害3.1 负序电流在转子中产生附加损耗和发热 负序电流出现后，它和正序电流叠加使定子绕组相电流可能超过额定值，导致绕组的发热有时会超过容许值。此外，负序电流形成的负序旋转磁场，以同步速度（ne）与转子旋转的方向相反旋转，并穿过定子和转子间的气隙达到转子。对于转子来说，受到以两倍同步转速(2ne)旋转的负序气隙磁场的切割，并在转子阻尼部件（槽楔、齿部、阻尼绕组）和转子绕组中，产生两倍频率（2fe）的附加电流，该电流流经转子本体的电阻性回路，从而在转子本体中产生附加损耗和发热。发热严重时，会将转子部件烧损，甚至烧坏。3.2 负序电流产生附加力矩增加机组振动 发电机三相电流不对称运行时，正序电流产生正向旋转磁势F1，负序电流产生反向旋转磁势F2。它们产生的磁场在空间都是按正弦规律分布的，可以用两个空间相量F1和F2来代表。由于发电机在一定的不对称状态下，F1和F2的幅值均为定值，故使相量F1和F2端点的轨迹为正圆，如图1所示。两者合成的磁势相量F即代表不对称运行状态的磁势相量，当F1和F2的转速相等，幅值不等时，合成磁势相量F端点的轨迹便是一个椭圆。 图1 不对称电流产生的椭圆形旋转磁场 在图1中，正向磁场F1沿反时针方向旋转，F2沿顺时针方向旋转，经过一段时间t之后，合成磁场F的横轴分量x和纵轴分量y分别为： x=F1cosct+F2cosct=(F1+F2)cosct y=F1sinct - F2sinct=(F1 - F2)sinct 合成磁场F为： F=(F12+F22+2F1F2cos2ct) 可见，合成磁场F是随时间变化的，其最大值（椭圆的长轴）和最小值（椭圆的短轴）分别为： Fmax=F1+F2 Fmin=F1 - F2 当合成磁场F与X轴的夹角为时，可得 tg=y/x=(F1-F2)/(F1+F2)tgct 从式中求得，并对时间微分可得F的旋转角速度为： =c(F12-F22)/F2 从上式中可以看出，在椭圆的长轴附近，角速度低，在短轴附近角速度高，合成磁场F的转速不是常数，其平均转速为c。在一个周期内F的大小要变化两次，即F的变化速度为2c。如果转子对称，纵轴和横轴方向的磁阻相同，则磁势大，磁场就强，产生的转矩也大；反之，则转矩较小。由于合成磁场F变化的速度为2c，故要产生100HZ的交变转矩。该转矩作用于转子轴和定子机座上，导致机组的振动增加，甚至出现金属疲劳和机械损伤。 根据现场的试验和运行经验，一般汽轮发电机在不对称运行下的附加振动较小，但也有个别机组振动强烈。水轮发电机有时存在100HZ的共振现象，成为限制负序电流大小的主要因素。4 发电机负序能力及其确定因素 发电机的负序能力主要是由转子表面各部件允许的最高温度决定的。由各部件长期允许最高温度决定的负序能力称为稳态负序能力；由各部件瞬时允许最高温度决定的负序能力称为暂态负序能力。4.1 稳态负序能力及其确定因素发电机在三相负荷对称的额定工况下运行，各部温度稳定后，再施加负序电流，当转子表面任一部件的温度达到该材料长期允许的最高温度时，所承受的负序电流值，就是该发电机能够长期承受的最大负序电流的能力，即稳态负序能力。确定发电机稳态负序能力的因素有：（1）转子线圈绝缘等级130的允许温度；（2）转子部件材料130的屈服极限；（3）转子部件材料的高温蠕变特性。这三点中，第一点是确定发电机稳态负序能力的主要因素。4.2 暂态负序能力及其确定因素发电机在三相负荷对称的额定工况下运行，各部温度稳定后，发电机或电力系统发生不对称故障或单相重合闸时，当转子表面任一部件的温度达到该材料瞬时允许的最高温度时，发电机在此时间内短时运行的能力，就是发电机的暂态负序能力。确定发电机暂态负序能力的因素有：（1）转子部件材料高温时的机械强度；（2）转子部件材料瞬时允许的最高温度。其中，第一点是确定发电机暂态负序能力的主要因素。5 提高发电机负序能力的措施5.1 在转子上增设阻尼绕组汽轮发电机是实芯转子，在不对称状态下涡流损耗较大，容易引起局部高温，甚至烧毁转子部件。为了防止烧毁转子，必须降低转子表面损耗密度，强化阻尼措施，提高其负序能力，在转子上增设阻尼绕组是比较有效的方法。阻尼绕组分为全阻尼、半阻尼和阻尼环三种结构形式。装设阻尼绕组后有以下效果：（1）有效地降低了发电机转子表面的最高温度；（2）发电机承受较大的暂态负序电流后转子无烧损；（3）有效地降低了发电机转子端部挠性槽端头的温升。5.2 降低转子端部涡流回路的电阻 在不对称状态下运行的发电机，当护环和转子本体直接接触时，其涡流经过端部槽楔、齿和护环嵌装面形成回路，在转子本体端部会增大涡流的密度，大部分涡流沿切向垂直于齿和槽楔流过，如果这些接触面的电阻较大，就会造成附加损耗和局部高温，严重时烧毁端部部件。为了减少接触电阻造成的损耗，可以采取端部阻尼环表面镀银、增大阻尼环的截面积等措施，降低端部涡流回路的电阻。通过实践，采取了上述措施后，明显减轻了转子端部的切向涡流负荷，提高了发电机转子承受稳态和暂态负序电流的能力。5.3 改进转子槽楔 改进转子槽楔主要从以下三个方面入手：（1）使槽楔与齿接触紧密以减小接触电阻，并在槽楔对接处设置铜导体，改善涡流通路；（2）将槽楔换为铝青铜或在高温下机械强度高、导电性能好的合金槽楔；（3）沿轴向将槽楔对接处在圆周上错开排列，以降低挠性槽端头的过热。通过实践，上述三项措施可以明显提高发电机的负序能力。6 结论随着电力系统容量的增大，因电力机车等稳态不平衡负荷引起的负序电