欒慶偉，楊懷海，潘波

(1哈爾濱大電機(jī)研究所，黑龍江哈爾濱150040；2哈爾濱理工大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001；3佳木斯電機(jī)股份限公司，黑龍江佳木斯154002)

六相脈沖發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)負(fù)序能力分析

欒慶偉1, 2，楊懷海3，潘波3

(1哈爾濱大電機(jī)研究所，黑龍江哈爾濱150040；2哈爾濱理工大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001；3佳木斯電機(jī)股份限公司，黑龍江佳木斯154002)

以一臺(tái)六相脈沖發(fā)電機(jī)為例，采用電磁場與溫度場耦合的方法研究了六相脈沖發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)負(fù)序能力，同時(shí)探討了負(fù)序電流產(chǎn)生機(jī)理以及六相脈沖發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)負(fù)序能力考核標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對于六相電機(jī)規(guī)定較少，因此對于研究此類電機(jī)有一定的參考價(jià)值。

脈沖發(fā)電機(jī)；六相電機(jī)；穩(wěn)態(tài)負(fù)序

0 引言

發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中不可避免的存在某種不對稱狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)電流中將含有一定的負(fù)序電流。負(fù)序電流產(chǎn)生的負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場，相對轉(zhuǎn)子沿反方向以兩倍基波的角速度旋轉(zhuǎn)，在阻尼繞組中感生電流，引起負(fù)序損耗，使阻尼繞組溫度升高。另外，當(dāng)發(fā)生故障不對稱運(yùn)行時(shí)，定子繞組中產(chǎn)生較大的負(fù)序電流，也同樣會(huì)引起阻尼繞組溫度升高。阻尼條溫度過高時(shí)，會(huì)造成阻尼條的熔斷，或者損毀，影響機(jī)組的安全的運(yùn)行，因此對發(fā)電機(jī)的負(fù)序能力研究是十分必要的。

脈沖發(fā)電機(jī)是一種能在短時(shí)間內(nèi)提供高電壓、大電流或者脈沖大功率脈沖的發(fā)電機(jī)。以某300MVA交流脈沖發(fā)電機(jī)為研究對象，對其負(fù)序能力進(jìn)行了研究。此臺(tái)脈沖發(fā)電機(jī)的定子繞組采用6相2-Y移30°結(jié)構(gòu)，其通常運(yùn)行工況為：繞線式異步電動(dòng)機(jī)采用轉(zhuǎn)子串接液體電阻恒定子額定電流起動(dòng)并加速機(jī)組，機(jī)組整個(gè)開機(jī)過程(由靜止起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速)的時(shí)間不大于15min，機(jī)組額定轉(zhuǎn)速下等待指令進(jìn)行重復(fù)放電和再加速，裝置放電時(shí)一次釋能時(shí)間(同步發(fā)電機(jī)發(fā)電時(shí)間)約15s(帶額定負(fù)荷時(shí)間10s，空載勵(lì)磁上升及下降共5s)，重復(fù)釋能周期10～15min，再加速(由0.7倍額定轉(zhuǎn)速加速到額定轉(zhuǎn)速)時(shí)間不大于5min；機(jī)組每年平均使用100多天，通常每天起動(dòng)次數(shù)1次(但設(shè)計(jì)值每天應(yīng)能重復(fù)起動(dòng)次數(shù)不少于2次)，每天約40次再加速和脈沖放電。因此有必要針對其繞組結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式的特殊性對其負(fù)序能力進(jìn)行研究。

1 負(fù)序電流的產(chǎn)生機(jī)理

發(fā)電機(jī)負(fù)載不對稱運(yùn)行是電力系統(tǒng)運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)的情況，此時(shí)電機(jī)內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生負(fù)序電流。而即使在發(fā)電機(jī)負(fù)載完全對稱的情況下，由于定、轉(zhuǎn)子之間的齒槽效應(yīng)，仍然會(huì)有感應(yīng)電流在阻尼繞組內(nèi)產(chǎn)生。

在不對稱的三相負(fù)載情況下，即使三相電壓是對稱的，電流仍然是不對稱的。但考慮到電路是線性的，如將不對稱電流分解為零序、正序和負(fù)序三組對稱的電流分量，則分析每一組對稱的電流分量就變得簡單易行。這種計(jì)算不對稱三相電路的方法稱為對稱分量法[1]。

(1)

式中，a=∠120°。從而得到其中A相電流的零序、正序以及負(fù)序分量為

(2)

當(dāng)定子繞組中產(chǎn)生負(fù)序電流時(shí)，該負(fù)序電流所產(chǎn)生的負(fù)序磁場同樣以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，但與正序旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向反。因而，以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子將以2倍同步轉(zhuǎn)速切割該負(fù)序磁場，從而在勵(lì)磁繞組、阻尼繞組甚至轉(zhuǎn)子本體中感應(yīng)出2倍工頻的負(fù)序電流。負(fù)序電流在電機(jī)轉(zhuǎn)子阻尼繞組中將引起附加熱損耗，若損耗過大，會(huì)引起阻尼繞組溫度過高，嚴(yán)重情況下會(huì)引起熔斷，若在機(jī)組運(yùn)行過程中發(fā)生熔斷。由于本脈沖發(fā)電機(jī)額定電流為29kA，定子側(cè)發(fā)生不對稱運(yùn)行時(shí)，負(fù)序電流勢必很大。因此在發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮發(fā)電機(jī)的負(fù)序運(yùn)行能力。

2 脈沖發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)負(fù)序損耗計(jì)算

脈沖發(fā)電機(jī)的基本數(shù)據(jù)如表1所示。采用有限元軟件建立脈沖發(fā)電機(jī)模型，為了減少計(jì)算量，建立整模型的1/24，模型極數(shù)為1個(gè)極，定子槽數(shù)為12槽。設(shè)置好材料屬性、運(yùn)動(dòng)屬性、邊界條件后的有限元模型如圖1所示。

圖1 脈沖發(fā)電機(jī)有限元模型

圖2為脈沖發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)負(fù)序能力求解模型的定子電路示意圖，脈沖發(fā)電機(jī)的工作制與常規(guī)三相水輪發(fā)電機(jī)相比，其單次同步運(yùn)行(同步發(fā)電機(jī)發(fā)電運(yùn)行時(shí)間)時(shí)間很短，約15s(帶額定負(fù)荷時(shí)間10s，空載勵(lì)磁上升及下降共5s)，而對常規(guī)三相水輪發(fā)電機(jī)額定容量為125MVA及以下的空氣冷卻水輪發(fā)電機(jī)不超過電流12%；額定容量大于125MVA的空氣冷卻水輪發(fā)電機(jī)不超過9%；定子繞組水直接冷卻的水輪發(fā)電機(jī)不超過6%。

圖2 穩(wěn)態(tài)負(fù)序能力求解模型的定子電路示意圖

由于研究用的脈沖發(fā)電機(jī)容量為300MVA，在研究穩(wěn)態(tài)負(fù)序能力時(shí)，首先在定子繞組側(cè)施加額定電流的9%作為負(fù)序電流來模擬脈沖發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)不對稱的工況。A相電流的確定如式(3)，B相電流如式(4)，C相電流軟件根據(jù)基爾霍夫電流定律自動(dòng)滿足。另一Y支路激勵(lì)源按同樣方法給出，參見式(5)，式(6)。計(jì)算脈沖發(fā)電機(jī)單次同步運(yùn)行時(shí)間內(nèi)(15s)阻尼繞組的損耗。

(3)

sin(2πft+120°)

(4)

sin(2πft-30°)

(5)

sin(2πft+90°)

(6)

采用瞬態(tài)場求解器計(jì)算了脈沖發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行工況時(shí)四種轉(zhuǎn)速下阻尼條損耗。圖3 為轉(zhuǎn)子磁極阻尼條編號(hào)。四種轉(zhuǎn)速下各阻尼條的損耗如表2所示。

由表2可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速540r/s時(shí),磁極上各阻尼條損耗較大。

3 脈沖發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)負(fù)序溫度計(jì)算

電機(jī)是一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，在機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程中不可避免地要產(chǎn)生損耗，這些損耗絕大部分變成熱量，使電機(jī)各部分溫度升高。本文采用電磁場與溫度場耦合的方法，將上節(jié)計(jì)算得到的阻尼條損耗作為熱源，直接與溫度場進(jìn)行耦合，算得到四種轉(zhuǎn)速下各阻尼條溫度。根據(jù)熱力學(xué)相關(guān)知識(shí)，可以確定轉(zhuǎn)子磁極表面以及阻尼條表面為散熱面，邊界條件為第三類邊界條件[2]，如圖4所示，初始環(huán)境溫度為53℃。四種轉(zhuǎn)速下散熱系數(shù)見表3。圖5、圖6、圖7、圖8為各個(gè)轉(zhuǎn)速下各阻尼條溫度分布圖。

表3 四種轉(zhuǎn)速下散熱系數(shù)(W/ m2·℃)

圖4 轉(zhuǎn)子磁極表面和阻尼條散熱邊界

圖5 540r/min阻尼繞組溫度圖

圖6 498r/min阻尼繞組溫度圖

圖7 415r/min阻尼繞組溫度

圖8 335r/min阻尼繞組溫度圖

以上計(jì)算了轉(zhuǎn)速540r/min時(shí)15s內(nèi)阻尼繞組的溫升情況，由于研究脈沖發(fā)電機(jī)長期不對稱運(yùn)，因此計(jì)算了該轉(zhuǎn)速下100s 阻尼繞組的溫度。圖9為Damper1100s時(shí)的溫度曲線，可以看到100s時(shí)，阻尼繞組的溫度趨于穩(wěn)定，為56.2℃。

圖9 轉(zhuǎn)速540時(shí)阻尼繞組Damper1100s溫度曲線

4 六相脈沖發(fā)電機(jī)負(fù)序能力考核標(biāo)準(zhǔn)的討論

對于普通的三相水輪發(fā)電機(jī)，其穩(wěn)態(tài)負(fù)序能力主要參照如下標(biāo)準(zhǔn):標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7894—2009《水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件》中規(guī)定，水輪發(fā)電機(jī)在不對稱電力系統(tǒng)中運(yùn)行時(shí)，穩(wěn)態(tài)負(fù)序電流為下列數(shù)值時(shí)應(yīng)能長期運(yùn)行：額定容量為125MVA及以下的空氣冷卻水輪發(fā)電機(jī)不超過12%；額定容量大于125MVA的空氣冷卻水輪發(fā)電機(jī)不超過9%；定子繞組水直接冷卻的水輪發(fā)電機(jī)不超過6%。標(biāo)準(zhǔn)JB/T 8445—1996《三相同步發(fā)電機(jī)負(fù)序電流承受能力試驗(yàn)方法》中規(guī)定了在電機(jī)長期運(yùn)行時(shí)紫銅阻尼條允許的最高溫度為130℃。

由于脈沖發(fā)電機(jī)的定子繞組采用6相2-Y移30°結(jié)構(gòu)，其運(yùn)行情況在前言部分已經(jīng)介紹，常規(guī)三相水輪發(fā)電機(jī)負(fù)序能力的考核標(biāo)準(zhǔn)是否適用，仍然需要進(jìn)一步研究，國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和IEEE，以及IEC也沒有相關(guān)的規(guī)定。但是就發(fā)電機(jī)負(fù)序能力而言，歸根結(jié)底，是由轉(zhuǎn)子各結(jié)構(gòu)件允許的最高溫度所決定的，各結(jié)構(gòu)件所允許的最高溫度仍然參考JB/T 8445—1996《三相同步發(fā)電機(jī)負(fù)序電流承受能力試驗(yàn)方法》[3]中相關(guān)規(guī)定，如表4所示。

表4 轉(zhuǎn)子各結(jié)構(gòu)件允許最高溫度

5 結(jié)語

本文通過對六相脈沖發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)負(fù)序能力進(jìn)行分析，并采用電器場與溫度場耦合的方法，計(jì)算了負(fù)序溫度，其結(jié)果完全符合考核標(biāo)準(zhǔn)。因此本文的技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中和學(xué)術(shù)上有一定的參考價(jià)值。

[1] 湯蘊(yùn)璆.電機(jī)學(xué).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2] 丁舜年.大型電機(jī)的發(fā)熱與冷卻.北京：科學(xué)出版社，1992.

[3] JB/T 8445—1996三相同步發(fā)電機(jī)負(fù)序電流承受能力試驗(yàn)方法.

Analysis on Steady-State Negative-Sequence Ability ofSix-Phase Pulse Generator

LuanQingwei,YangHuaihai,andPanBo

(1.Harbin Institute of Large Electrical Machinery, Harbin 150040, China；2.Harbin University of Science and Technology, Harbin 150001, China；3.Jiamusi Electric Machine Co., Ltd., Jimusi 154002, Chinaa)

Taking a six-phase pulse generator as an example, the steady-state negative-sequence ability is studied by method of coupling electric magnetic field and temperature field. The production principle of negative-sequence current and assessment standards of steady-state negative-sequence ability are discussed. There are very little related standards about six-phase generator, so this paper has a certain reference value.

Pulse generator；six-phase generator；steady-state negative-sequence

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.02.06

TM301.3

A

1008-7281(2017)02-0019-004

欒慶偉 男 1981年生；畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)從事水輪發(fā)電機(jī)、汽輪發(fā)電機(jī)以大型交直流電機(jī)研發(fā)工作.

2017-01-05