大型水轮发电机阻尼条受力和阻尼条损耗的计算

宋敏慧，张春莉，胡 刚，李桂芬，李金香，杨华峰

(1． 哈尔滨大电机研究所，黑龙江哈尔滨 150040； 2. 哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

水轮发电机通常装设阻尼系统。在电机运行过程中，阻尼系统的安全可靠性直接关系到电机是否安全可靠运行[1]。因此需要对阻尼条电磁力进行计算。国标GB/T 7894—2009水轮发电机基本技术条件的7.1.3中明确“水轮发电机在不对称电力系统中运行时，如任一相电流不超过额定电流，且其负序电流分量与额定电流之比(标幺值)为下列数值时能长期运行，其中额定容量小于125 MVA的空气冷却水轮发电机不超过12%”。我们选定某台水轮发电机，进行分析研究，其基本数据见表1。

表1 发电机基本数据

1 研究方法

首先建立发电机的几何模型，这里对阻尼条进行了编号。每一个极靴上有6根阻尼条，因此本文阻尼条编号为1，2，3，…，6。对电机电枢绕组、励磁绕组以及阻尼绕组求解其损耗，需要在有限元模型的基础上搭建外电路。图1所示为发电机等效外电路示意图。

图1 稳态负序能力求解模型的外接电路示意图

Q为阻尼绕组，BA、BB、BC、BF分别为A、B、C三相绕组和励磁绕组，LA、LB、LC为电枢绕组端部漏抗，IAB、IBC、ICA为测量电流，IA、IB为电枢绕组三相负载，IF为励磁绕组电流源，IA、IB分别为A相、B相外加电流源。根据基尔霍夫电流定律即可得到C相电流。当运行工况为额定不对称负载(额定对称负载+负序负载)时，IA、IB为额定负载电流叠加负序电流。根据国家稳态负序标准，大型发电机的稳态负序电流不超过额定电流IN的9%。定义电流源为：

式中：IN为发电机额定电流；F为发电机额定频率；TIME为时间；ψ为定子内功率因数角，其表达为

(2)

式中：U和I取1，φ为功率因数角，Xq为交轴同步电抗。

2 电磁力计算结果

本文给出了水轮发电机的磁场分布，计算了额定负载工况和负序电流为额定电流12%工况下阻尼条所受电磁力。阻尼条最右侧为序号1，依次2，3，4，5，6，1为背风面一侧。计算结果见表2。

表2 各工况下阻尼条电磁力 单位：N

由以上结果可知，负序电流为额定电流12%工况下第1根阻尼条所受电磁力最大，最大径向电磁力为885.29 N，切向电磁力为879.52 N。该工况下磁场分布和阻尼条受力如图2和图3所示，阻尼条序号见图4。

图2 负序12%工况磁场分布图

图3 额定工况磁场分布图

图4 阻尼条序号示意图

3 阻尼条和阻尼环损耗

用运动网格时变电磁场有限元法计算了该机额定工况的一个极BR1-BR6的6根阻尼条损耗， 及R1-R6的6段阻尼环损耗，BR1为被风面， 并且分给出BR1-BR6和R1-R6最大损耗数值， 示意图如图5所示， 结果如表3所示。

图5 轮发电机阻尼条损耗示意图

表3 结果数据表 单位：W

4 结论

从结果数据表中可以看出阻尼条在额定负载和稳态负序两种工况下运行时，1号阻尼条为背风面，背风面阻尼条电磁力较大。从图中可以看出，径向和切向电磁力均小于离心力，阻尼条不会发生熔断事件。阻尼条和阻尼环损耗也在发电机安全稳定运行的范围内。

[1] 汤蕴璆.交流电机动态分析[M].北京：机械工业出版社，2004.

[2] 汤蕴璆，史乃.电机学[M].北京：机械工业出版社，2006.