試探大型汽輪發電機負序電流的分析和計算

白偉

（神華陜西國華錦界能源有限責任公司，陜西榆林 719000）

試探大型汽輪發電機負序電流的分析和計算

白偉

（神華陜西國華錦界能源有限責任公司，陜西榆林 719000）

大型的汽輪發電機在整個電機制造行業中具有代表性的地位，通過對容量較大的汽輪機在不對稱的狀況下，進行負序電流的計算與分析，在以前傳統的計算方法上加以改進，同時通過實際驗證，證明這種方法在實際的計算過程中是非常具有實用性的，文章中對大型汽輪發電機的維護和保養方案的設計給出了相關的理論建議。

汽輪發電機 負序電流 分析

根據相關資料研究表明，1000兆瓦以上的大容量發電機組要比500兆瓦以下的發電機組在制造成本上要節省35%的資金。當發電機組在不對稱的情況下進行工作時，定子進行環繞時會產生一定的負序電流，并且形成負序電流旋轉的磁場，而整個轉子組和轉子的表面同時會感應到頻率的諧波分量，造成發電機組中轉子的嚴重燒傷。因此，發電機組在不對稱的狀況下會對負序電流造成一定的影響。

1 汽輪發電機的負序電流的形成與危害

（1）發電機進行正常工作時，在電樞繞組的過程中只有正序電流的存在，而不存在負序電流。大概在發電機或電機的輸電線路產生故障致使它們之間的運行發生不對稱時，就會產生一定的負序電流。發電機所承受的不對稱運行能力，取決于它的不對稱程度和電流所產生的分量。它的不對稱程度可以通過發電機的不對稱電流和相序組進行求出。（2）當發電機的負序電流增大到一定的數量值時，轉子受到感應后電流受熱所產生的損耗也會相應的增加。同時，對轉子的機械強度以及它的磁場繞組都會產生一定的影響，并伴有一定的危害性。當發電機組產生單相或兩相電流在運行狀態下產生不對稱時，電樞電流在流過負序電流的同時也會產生一定的負序電流，負序電流所產生的磁場相當于發電機轉子以兩倍的反方向旋轉速度進行旋轉。同時，在其所產生的損耗會對發電機表面和磁場繞組等部位產生一定的損傷。（3）在轉子當中由于負序電流對渦流所產生的損害，其損傷的程度會加劇轉子產生更多熱量，嚴重的情況下會對轉子造成損毀，發生故障時，其不對稱程度如果過于高的話，負序電流會隨之增大，產生較大的危害。一般常用b=I2II1對電流的不對稱程度進行表示。其中轉子當中各個結構的關鍵部位與發熱量及時間成正比關系。

2 瞬態負序電流的分析方法與計算

（1）對稱形式的分量法是通過傳統方法對電力系統進行分析計算的方法，它將三相的不對稱電流分解為正序和負序以及零序的分量，并將其中的作用進行相互的疊加，從而避免不對稱計算方法所帶來的麻煩，對稱的分量法只適合于線性系統。發生短路的時候，將系統中三相電流所產生的磁場放入到計算公式當中。在負序的計算公式中將轉子的非周期性分量帶入到計算當中，從而產生瞬態的負序分量，改進計算方法后。當發電機處于不對稱的運行狀態時，其中三相的不對稱電流IA、IB、IC，可以運用對稱分量將他們分解成為對稱分量的關系。（2）以大型的汽輪發電機為例，對它的負序分量計算方法進行分析，當發電機處于運行過程時，在其相位角α0=0°，產生對稱性的三相短路。其中把A相電流的最后一項作為短路電流的非周期性分量。定子的三相電流繞組在空間內的分布差值為120°/p，P為極對的數值，由于電機的極數數值為4，并且三相電流的分量在空間結構中進行排序時，其差值為60°。因此，定子的繞組在空間內會合成磁場。三相合成的非周期性分量ir的值與短路的初始位置，當α0=0°和180°時ir最大，α0 =90°和270°最小。所以這里用非周期性分量電流和時間的積分來表示電流的負序。所以，定子電流在轉子的表面產生的磨損與頻率成正比。（3）在負序電流的同頻率下用頻率的系數，合成非周期性分量產生等效負序。一般用時間t來計算瞬態的負序量，當非周期性分量產生的等效負序與短路產生一定的關系時，發電機的瞬態負序中除了由定子負序電流在轉子上產生的損害，這時也應該考慮到由非周期性電流所產生的損耗。

3 負序運行能力計算實例

（1）按照發電機的設計原理，當其能承受A=5s的瞬態負序量時，其負序電流在轉子上所產生的損耗與短路的初始角無關，而非周期性的分量所產生的損耗A2在α0=0°達到最大值，其中α0=90°時A2為0。如果三相電流在對稱的情況下，就不會產生負序電流，所以，經過計算可知，在最壞情況下時，非周期性的分量在轉子上的損耗A2在t=1s左右時達到最大值。（2）由計算結果分析可知，當α0=0°～90°的范圍內時，非周期性的分量對瞬態的負序計算能力逐漸變小，在α0=0°時損害程度最大。當α0=90°時，這時瞬態負序都是由負序電流產生的，當瞬態負序A=4s時，可得t的值。當短路的初始角α0分別等于不同值時計算出t的值。如果運用傳統的方法對瞬態負序電流進行計算時，只計算它的負序電流值可得t的值，運用公式計算出t值的范圍。這樣也能合理的表示瞬態負序量有時不能夠更好地表示實際的損耗程度。（3）以一臺200兆瓦的汽輪發電機為例，對發電機的負序運行能力進行計算分析。采用有限元的方法計算轉子表面渦流的損耗程度，由于負序磁場在轉子表面透入的深度較小，針對這一點，采用表面阻抗的方法來進行處理。考慮到轉子結構的特點，可取橫向槽區之間的部分和其中一個轉子表面作計算。為了避免此問題，可以將橫向槽折轉成90°，使側面與轉子保持在同一平面內，把矢量單位t當做分析變量，用有限元的方法進行計算，可得出渦流的損耗分布。以負序渦流場求得的負序損耗作為熱源，根據傳熱的原理可計算出轉子溫度的分布情況。為了簡單化，假設轉子的軸向較均勻，可知考慮轉子的橫截面積和齒輪區域的結構狀況，只需計算出齒輪區域即可。

4 結語

通過對汽輪發電機負序電流形成的原因進行分析，根據瞬態負序電流的含義，其表示的轉子發熱的特征，研究了在短路時三相電流非周期性分量所形成的合成磁場，重新改進了瞬態負序電流的計算公式。對大型汽輪發電機，進行了分析計算其合成分量對負序電流的影響，改進了以往傳統的計算缺點，從而為大型汽輪發電機的準確計算提供了一定的有效依據。

［1］張琦雪，馮桂青，陳俊，嚴偉，沈全榮.汽輪發電機定子繞組缺線圈運行時的負序過負荷保護分析［J］.電力自動化設備，2014（34）：168-172.

［2］朱躍杰，趙偉，劉明慧.大型汽輪發電機負序電流的危害與計算方法分析［J］.上海電氣技術，2012（5）.