千兆瓦靜態勵磁發電機高頻軸電流調諧濾波器研究

許煥清，王宏華，王成亮

（1.江蘇方天電力技術有限公司，南京211102；2.河海大學能源與電氣學院，南京210098）

0 引 言

1 000 MW發電機在全國裝機容量的占比逐年提高，百萬千瓦發電機的可靠性對電力系統顯得更為重要。近五年江蘇省機組非計劃停運分析表明，1 000 MW機組在非計劃停運總次數中占了很高比例，特別是發電機原因造成的非計劃停運呈現較大幅度的增長趨勢。

在機組運行中，發電機軸兩端之間、轉軸與地或軸承之間形成的電壓，稱之為軸電壓。軸電壓是制約大型同步發電機安全可靠運行的重要問題之一。過高的軸電壓會擊穿發電機軸與軸承間的潤滑油膜而產生放電，造成電腐蝕，損害軸承等部件，加速機械磨損，縮短電機壽命，嚴重時會造成停機，危及電力系統的穩定運行，造成重大損失。

國內外學者和工程師們已經認識到軸電壓問題所產生的嚴重危害，相關文獻對于電動機和較小容量發電機的軸電壓問題開展了大量研究［1-9］。現場經驗表明［10-15］，發電機在運行時產生的軸電壓是不可避免的，300 MW及以下發電機軸電壓多為3 V～5 V，現場不少1 000 MW發電機軸電壓接近20 V，個別發電機出現了50 V左右的軸電壓。現有文獻［1，4，12-15］對發電機軸電壓產生的原因進行了定性分析，但對1 000 MW發電機軸電壓和軸電流抑制措施的建模仿真和深入研究開展得較少。

軸電壓對發電機的危害主要源于異常的軸電壓產生的軸電流。當軸電流密度很大時，軸電流通過的軸頸、軸瓦等部件將被燒壞；軸電流引起的電弧也會燒蝕軸承部件并使潤滑油老化，加速軸承的機械磨損；軸電流還會使發電機端蓋、軸承和環繞軸的其他部件強烈磁化，并在軸頸和葉輪處產生單極電勢，加劇軸電壓的產生，造成惡性循環。當軸電流頻率較高時，會使得現場的測振裝置誤判引起跳機。

為了采取措施抑制軸電壓和防止有害的高頻軸電流產生，以江蘇某1 000 MW靜態勵磁汽輪發電機為研究對象，在實測發電機軸電壓的基礎上，建立了基于實際參數的1 000 MW發電機軸電壓模型，并進行了仿真分析。在仿真分析的基礎上，提出了一種選擇濾除靜態勵磁發電機高頻軸電流的調諧濾波器，并對濾波器的應用開展了仿真研究。

1 1 000 MW發電機軸電壓實測分析

對江蘇某電廠1 000 MW汽輪發電機的軸電壓開展了現場實測。該某發電機配套靜態勵磁系統為某公司產品，其勵磁電流為3 817 A、勵磁電壓為274.3 V，技術參數見表1。

表1 發電機及勵磁參數Tab.1 Parameters of generator and excitation

該發電機軸電壓的實測時域波形如圖1所示，軸電壓有效值為20.01 V。圖1中，上圖為測試波形，下圖為波形展開。對發電機實測軸電壓進行了FFT分析，其主要頻譜及數值如表2所示。

圖1 某1 000 MW發電機軸電壓實測時域波形Fig.1 Shaft voltage test time domain waveform of a 1 000 MW generator

表2 某1 000 MW發電機實測軸電壓主要頻譜及數值Tab.2 Main frequency spectrum and numerical value of shaft voltage of a 1 000 MW generator

由頻域分析可見，軸電壓最大峰值及最大能量出現在1 051 Hz頻率處，根據時域波形判斷為周期性峰值出現；次大峰值為451 Hz頻率處。實測結果表明，采用靜態勵磁系統的1 000 MW發電機因晶閘管換流不可避免在勵磁系統的輸出中有高頻軸電壓脈沖，使得軸電壓具有幅值較大的諧波脈沖分量，成為大型靜態勵磁發電機產生軸電壓的主要原因之一。在軸電壓的諧波分量中，還存在幅值較小的2倍工頻（101.6 Hz）、工頻及其偶次諧波分量，表明發電機本身磁路不對稱或剩磁產生的軸電壓較小。

2 1 000 MW發電機軸電壓仿真建模

國內1 000 MW發電機多采用靜態勵磁系統。本文按照江蘇某電廠靜態勵磁1 000 MW汽輪發電機技術數據，基于Matlab Simulink Power System建立了靜態勵磁發電機軸電壓的仿真模型，如圖2所示。仿真模型包括靜態勵磁系統（Rectifier）、轉子勵磁繞組系統（Excition Winding）和轉子軸系系統（Rotor Shaft＆Turbines）三個子系統。

圖2 靜態勵磁發電機軸電壓仿真模型Fig.2 Shaft voltage simulation model of static excitation generator

靜止勵磁系統給轉子勵磁繞組提供直流勵磁，主要由三相勵磁變壓器和三相全控橋整流器構成。三相全控橋式整流的三相橋電路模塊選用Universal Bridge模塊。勵磁變按機組實際數據設置為Yd11型三相雙繞組變壓器，將勵磁變三相對地電容均設置為 0.05μF。

按照轉子實際技術數據，轉子勵磁繞組共14個線圈，每個線圈7匝。計及端部漏磁場的影響，對勵磁繞組端部的兩個線圈單獨建模，其每半匝導線均由一個電感和兩個電容的π型電路模擬，中間的12個線圈作集總處理，其每半個線圈用一個電感和兩個電容構成的π型電路模擬，建立轉子勵磁繞組的子系統仿真模型。

將兩個低壓缸、一個中壓缸、一個高壓缸分別用相應的電感模擬，而這些位置處及汽側（TE）、勵側（EE）位置處分別設置了對地電容以模擬轉軸對地的分布電容，建立轉子軸系子系統仿真模型。

定義整流橋輸出正極A和負極B對地電壓U1、U2的平均值為共模電壓UC，用SCOPEUC記錄共模電壓。仿真選用ode23tb算法，利用power gui模塊進行定步長離散采樣。

3 1 000 MW發電機軸電壓仿真分析

3.1 未采取任何措施的軸電壓仿真

仿真結果如圖3所示，將三相全控橋整流器觸發角均設置為90°。由圖可見，靜態勵磁系統整流輸出的共模電壓基頻為150 Hz，三相全控橋整流器換流將引起高頻共模電壓尖峰脈沖。靜態勵磁系統引起軸電壓的主要成分是共模電壓基頻及其3次、5次、7次等高頻奇次諧波分量。不采取任何軸電壓防護措施時，勵側軸電壓幅值將突破80 V，危及機組安全運行。

現場實測和仿真結果表明，靜態勵磁系統輸出的共模電壓高頻奇次諧波是大型汽輪發電機的主要軸電壓源。

3.2 采取常規抑制軸電壓措施的仿真

當前大型發電機組廣泛采用汽側經碳刷可靠接地、勵側經RC并聯網絡接地的抑制軸電壓措施。圖4為采取常規抑制軸電壓措施的發電機軸電壓和軸電流的仿真。圖中勵側RC并聯網絡的電阻值取510Ω，電容取10μF，接地電阻為0.1Ω。

在圖4中，（a）為發電機勵側軸電壓仿真波形，（b）、（c）分別為采用常規抑制措施的軸電流時域仿真波形及其FFT。仿真表明，常規抑制措施對軸電壓具有明顯抑制作用，勵側軸電壓幅值有明顯下降。由軸電流頻譜可見，三相全控橋整流器換流引起的高頻脈沖軸電壓并不能完全消除，軸電流依然以共模電壓的基頻及其3次、5次、7次等諧波分量為其主要成分，這是由于大軸的阻抗對勵側軸電壓的高頻成分影響大所致，因此，常規抑制措施不能消除軸電流的高頻成分。

現場的故障分析表明，高頻軸電流對汽機的測振裝置構成干擾，易引起振動誤判而報警，嚴重時可引發跳機。因此，高頻軸電流分量將對機組安全運行構成隱患，有必要對現有抑制措施進行改進，有選擇地濾除高頻軸電流分量。

圖4 采用常規抑制措施的軸電壓和軸電流仿真Fig.4 Shaft voltage and shaft current simulation with normal suppression measures

4 高頻軸電流調諧濾波器的設計及仿真

針對現有軸電壓抑制措施的局限，本文提出了一種選擇濾除靜態勵磁發電機高頻軸電流的調諧濾波器，如圖5所示。

圖5 高頻軸電流調諧濾波器結構圖Fig.5 Schematic diagram of the tuned filter for decreasing high frequency shaft current

圖5中，調諧濾波器由電容C、電阻R和無源諧波濾波器并聯組成，其一端接地，另一端接同步發電機勵側轉軸，同步發電機汽側轉軸接地。為了對調諧濾波器的原件進行保護，設置了快速熔斷絲F1和F2。

無源諧波濾波器由電感L1和電容C1串聯組成，其取值滿足：

式中fn為所要濾除的共模電壓第n次諧波引起的高頻軸電流分量的頻率（Hz），fn＝150n，n＝3，5，7，9……。

基于建立的1 000 MW靜止勵磁汽輪發電機組軸電壓仿真模型，將所提出的調諧濾波器接入，進行仿真分析。依據式（1）選取電感L1和電容C1，以濾除三倍工頻的7次諧波為例仿真研究調諧濾波器的濾除高頻軸電流效果，仿真參數設置如下：n選為7，R取為510Ω，C取為10μF，接地電阻為0.1Ω。調諧濾波器的電感L1和電容C1取值滿足：

圖6為采用上述設計的調諧濾波器的軸電壓、軸電流仿真結果。其中，（a）為勵側軸電壓時域仿真波形，（b）、（c）分別為軸電流仿真時域波形及其FFT。

圖6 采用調諧濾波器的仿真波形Fig.6 Simulation results with the tuned filter

由圖6可見，所設計的7次諧波濾波器有效地濾除了所設定的軸電流中的7次諧波（1 050 Hz）分量。仿真結果表明，本文所提出的在現有常規抑制軸電壓措施的基礎上增加調諧濾波器的方法，不僅能有效抑制軸電壓，而且能濾除所選擇的高頻軸電流分量。

5 結束語

隨著晶閘管靜態勵磁系統在大型發電機中的廣泛應用，軸電壓成為制約大型發電機安全可靠運行的嚴重問題之一。研究表明靜態勵磁系統輸出共模電壓基頻（150 Hz）及其3次、5次、7次等高頻奇次諧波是大型汽輪發電機的主要軸電壓源。

提出的在現有常規抑制軸電壓措施的基礎上增加調諧濾波器的方法，在顯著抑制因同步發電機磁通不對稱等機組自身結構原因引起的直流軸電壓、低頻軸電壓的同時，能有效選擇性地濾除靜止勵磁系統輸出共模電壓某次諧波引起的同步發電機高頻軸電流，可用于同步發電機靜態勵磁軸電壓和軸電流的防治，可提高大型同步發電機組的安全可靠運行水平。