水轮发电机新型阻尼系统.pdf

水轮发电机新型阻尼系统张艳竹(哈尔滨电机厂有限责任公司哈尔滨)摘 要:以 水轮发电机为例应用 有限元软件对电机不同阻尼系统进行仿真计算分析额定工况、负序工况下转子各结构件损耗和电磁力分析电机突然短路工况下冲击电流、瞬变电抗及超瞬变电抗等重要参数综合分析各项指标参数确定电机最优阻尼系统关键词:水轮发电机新型阻尼系统转子各结构件损耗电磁力电抗中图分类号:文献标志码:编码:././.(.):.:引言当励磁调节器和调速器失去控制或发生故障、水轮机转矩不均匀及外部负荷不稳定时都可能会导致水轮发电机发生振荡现象 振荡时发电机的转速、电压、电流、功率及转矩等均会发生周期性变动严重时会造成水轮发电机与电力系统失去同步 水轮发电机上设置的阻尼系统不但可以提高电力系统运行稳定性、削弱过电压的影响还可以抑制转子自由振荡、提高电机不对称负荷的承受能力和加速发电机自同步并入系统阻尼系统的设计直接影响电机的电抗参数其中同步电抗参数决定了电机的静态稳定性和电压调整率关系着电机的最大发电能力瞬态电抗参数影响电机动态稳定极限及突然加负载时瞬态电压的变化率超瞬变电抗参数影响电机突然短路时的冲击电流和电磁转矩是描述凸极同步电机性能的重要参数当电机发生突然短路时尤其三相突然短路时所产生的危害最大 短路电流的峰值大到一定值时将会在电机内部产生非常大的电磁力从而损坏电机 阻尼系统的合理设计显得尤为重要 传统阻尼系统传统大型凸极同步发电机阻尼系统有两种形式 一种是把每个磁极上的阻尼条的两端通过阻尼环连接或直接焊在磁极压板上再在磁极鸽尾处用钢板把磁极与磁轭连接起来构成半阻尼系统 由.水轮发电机新型阻尼系统设计与研究于半阻尼系统较全阻尼作用弱不利于限制不对称短路时的过电压现已很少使用 另外一种是将每个磁极的阻尼条用阻尼环相连接再用阻尼环极间连接片把各磁极阻尼环相连接构成全阻尼系统 全阻尼系统的极间连接一般有两种方式:一种是硬连接方式各磁极的阻尼环通过连接板和拉紧螺杆相连接另一种是软连接方式各磁极阻尼环通过由多层软铜片组成的 型软铜排连接在一起 这两种连接方式都占用磁极之间一定的空间不利于电机通风散热 此外阻尼环极间连接部位靠拉紧螺杆固定或无固定机组频繁启停或外部负荷不稳定时阻尼系统受离心力、电磁力及热应力反复变化影响阻尼系统的薄弱环节(阻尼环极间连接部位)极易发生断裂、烧熔等事故 断裂的拉紧螺杆或软铜片进入发电机内部易发极端事故传统阻尼绕组结构型式半阻尼系统如图 所示全阻尼系统如图 所示图 半阻尼系统图 全阻尼系统阻尼环位于磁极压板端部每个极上的阻尼条通过阻尼环连接成一体 磁极与磁轭之间通过 尾处的 型板连接在一起每个极上的阻尼条通过端部阻尼环连接成一体阻尼环间通过连接片连接成一体极间通过拉紧螺杆拉紧两侧阻尼环 新型阻尼系统.新型阻尼系统结构上新型阻尼系统与传统阻尼系统的不同之处在于阻尼系统的端部省去了传统阻尼系统极间连接片 新型阻尼环两侧为 型底脚并直接伸长至磁轭外表面处由阻尼条、新型阻尼环及磁轭构成完整的阻尼系统 单元电机三维模型及各结构件如图 所示图 新型阻尼系统单元电机模型及阻尼系统各结构件.新型阻尼系统结构上新型阻尼系统与传统阻尼系统的不同之处在于阻尼系统的端部省去了传统阻尼系统极间连接片 在磁极压板与磁轭之间的 尾处增加了 型铜板由阻尼条、宽阻尼环、型铜板及磁轭构成完整的阻尼系统 单元电机三维模型及各结构件如图 所示图 新型阻尼系统单元电机三维模型及阻尼系统各结构件设计与研究上海大中型电机.计算方法原理采用三维场有限元法对各阻尼系统在电机不同工况下进行分析 由于不同阻尼系统只是在铁心端部连接方式上的改变而电机铁心中间段的阻尼系统并没有发生变化 因此本文采用三维场有限元耦合法只需比较各阻尼系统端部在额定工况、负序工况下转子各结构件损耗及电磁力计算结果即可方法原理介绍如下阻尼条中感应电流如公式()所示:()式中 为感应电动势 为磁场强度 为切割磁场的导体长度 为切割磁场的速度 为导体截面积 为导体的电阻率根据公式()推导得出阻尼条中感应电流大小与阻尼条长度无关即铁心中间段阻尼条中感应电流与铁心端部阻尼条中感应电流是完全相同的 计算结果本文以 水轮发电机为例运用 有限元分析软件仿真电机额定工况、负序工况及三相突然短路工况下的传统阻尼系统与两种新型阻尼系统电机电抗参数及三相突然短路电流转子各结构件如磁极压板、极间连接块、阻尼条、阻尼环及 型铜板的磁密、电密、损耗、电磁力等.电机基本技术参数 水轮发电机基本技术参数如表 所示表 电机基本技术参数名称数值额定功率 额定电流 极对数定子内径 阻尼条直径 名称数值频率 功率因素.每极每相槽数定子外径 铁心长度 名称数值电压 额定励磁电流.转速/槽数每极阻尼条根数.额定工况下各阻尼系统结果对比搭建额定工况负载电路进行有限元二维场迭代计算得出额定工况下三相定子电流、初始相角及额定励磁电流将其赋给三维场模型计算出各阻尼系统结构件损耗及电磁力磁密分布如图 所示电密分布如图 所示各结构件平均损耗及电磁力分布如表、表 所示据表可知额定工况下各阻尼系统中编号 的阻尼条损耗最大前后阻尼环损耗接近 轴向方向看靠近电机中心侧的连接片损耗较大前后 形铜板损耗接近各阻尼系统中编号 的阻尼条电磁力最大前后阻尼环电磁力接近靠近阻尼条编号 侧的连接片电磁力较大前后 形铜板电磁力接近图 额定工况 各阻尼系统磁密分布图.水轮发电机新型阻尼系统设计与研究图 额定工况 各阻尼系统电密分布图表 各阻尼系统转子结构件损耗对比单位:各阻尼系统阻尼条阻尼环连接片前后真机阻尼系统.新型阻尼系统.新型阻尼系统.形铜板前.后.表 各阻尼系统转子结构件电磁力对比单位:各阻尼系统阻尼条阻尼环连接片前后真机阻尼系统.新型阻尼系统.新型阻尼系统.形铜板前.后.负序工况下各阻尼系统结果对比依据标准/水轮发电机基本技术条件中的规定水轮发电机在不对称电力系统中运行时额定容量大于 的空气冷却水轮发电机稳态负序电流不超过 的 各结构件平均损耗及电磁力分别如表、表 所示表 各阻尼系统结构件损耗对比单位:各阻尼系统阻尼条阻尼环连接片前后真机阻尼系统.新型阻尼系统.新型阻尼系统.形铜板前.后.表 各阻尼系统结构件电磁力对比单位:各阻尼系统阻尼条阻尼环连接片前后真机阻尼系统.新型阻尼系统.新型阻尼系统.形铜板前.后.设计与研究上海大中型电机.据表可知负序工况下各阻尼系统中编号 的阻尼条损耗最大编号 的阻尼条损耗次之前后阻尼环损耗接近轴向方向看靠近电机两侧的连接片损耗较大前后 形铜板损耗接近 各阻尼系统中编号 的阻尼条电磁力最大编号 的阻尼条电磁力次之前后阻尼环电磁力接近靠近阻尼条编号 侧的连接片电磁力较大前后 形铜板电磁力接近.突然短路工况下各阻尼系统结果对比.两相突然短路利用 二维场搭建负载两相突然短路及阻尼条电路图各阻尼系统在两相突然短路工况下的冲击电流如图 所示 与电机额定电流 相比真机冲击相电流有效值为 新型阻尼系统冲击相电流有效值为 、新型阻尼系统冲击相电流有效值为 .三相突然短路利用 二维场搭建空载三相突然短路及阻尼条电路图各阻尼系统在三相突然短路工况下的冲击电流如图 所示 与电机额定电流 对比真机冲击相电流有效值为 新型阻尼系统冲击相电流有效值为 、新型阻尼系统冲击相电流有效值为 图 各阻尼系统两相突然短路下冲击电流图图 各阻尼系统三相突然短路下冲击电流图.各阻尼系统电抗参数对比计算采用频域法 即转子静止定子施加高频()电流幅值为的直轴脉振磁势励磁绕组短接阻尼绕组开路条件下用有限元法求解边界问题经过多次迭代使 收敛然后求取单位定子电流所产生的复磁链即可求出直轴、交轴超瞬变电抗求取直轴超瞬变电抗时转子 轴与 相绕组轴线重合求取交轴超瞬变电抗时转子 轴与 相绕组轴线重合各阻尼系统电抗参数对比如表 所示表 各阻尼系统电抗参数对比各阻尼系统/真机阻尼系统.新型阻尼系统.新型阻尼系统.水轮发电机新型阻尼系统设计与研究 结论本文针对 水轮发电机的三种不同阻尼系统运用 有限元仿真得到电机额定工况、负序工况及突然短路工况下的电抗参数及突然短路电流转子各结构件的磁密、电密、损耗及电磁力根据仿真计算结果得到如下结论:()额定工况下三种阻尼系统对应编号下阻尼条损耗基本相同 新型阻尼系统各阻尼条所受电磁力较大新型阻尼系统各阻尼条所受电磁力最小负序工况下新型阻尼系统各阻尼条损耗及电磁力较大新型阻尼系统各阻尼条损耗及电磁力最小当电机发生两相突然短路时冲击相电流有效值真机最低新型阻尼系统次之新型阻尼系统最高当电机发生三相突然短路时冲击相电流有效值新型阻尼系统最低新型阻尼系统次之真机最高根据三种阻尼系统电抗参数对比结果可知新型阻尼系统发生突然短路时冲击电流很大会使得电机结构件及绕组端部产生极大的冲击力矩而新型阻尼系统与真机的突然短路承受能力接近真机略好一些()如遇电机转速不高、但对负序能力要求较高时可采用传统阻尼系统即极间用连接片连接阻尼环的结构 如遇电机转速较高转子各结构件承受应力较大、但负序能力要求不是很高时可采用新型阻尼系统结构()研发的两种新型阻尼系统通过各工况及主要参数对比得出新型阻尼系统优于新型阻尼系统参考文献 白延年.水轮发电机设计与计算.北京:机械工业出版社.(上接第 页)取有重要意义()对于可变速发电电动机由于其定子漏抗较小导致在深度进相时不受到静态稳定限制具有深度进相能力本文的研究成果对可变速抽水蓄能机组的国产化有重要的指导意义参考文献 张国斌陈玥张佳辉等.风 光 水 火 抽蓄联合发电系统日前优化调度研究.太阳能学报():.赵杰君王婷婷.丰宁二期抽水蓄能电站应用可变速机组的必要性分析.中国高新技术企业():.张旭张鹏陈昕.海水抽水蓄能电站发展及应用.水电站机电技术():.陈建华孟庆国陈振武.抽水蓄能电站变频调速机组的应用现状及发展趋势/抽水蓄能电站工程建设文集():.张春莉孙玉田王方等.可变速抽水蓄能发电电动机电磁性能分析.大电机技术():.韦忠朝黄声华陶醒世等.变速恒频双馈发电机运行原理及稳态性能分析.华中理工大学学报():.王欣竹韩民晓 .双馈式可变速抽水蓄能机组无功特性分析.电网技术():.():.:.:.():././().作者简介:胡金明男 年生硕士工程师主要从事电机电磁场及电机动态过渡过程的分析和研究工作设计与研究上海大中型电机.