大型抽水蓄能機組轉子磁極線圈受力分析

王 韜，張興旺，李金香，茍智德

(1. 哈爾濱大電機研究所，黑龍江哈爾濱 150040；2. 哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

2011年，某抽水蓄能電站其中一臺機組停機過程中，當合上電氣制動開關時，發生勵磁變壓器過流保護動作，500 kV線路開關跳閘，同時機組低壓過流保護動作，發電機轉子接地保護動作，導致機組保護動作停機。

事后對發電機進行檢查，發現發電機轉子磁極阻尼環伸縮接頭軟連接變形；磁極線圈下端部裝配用擋塊受徑向力剪斷或變形，固定螺栓松動或被剪斷掉落，如圖1所示。

圖1 發電機磁極受損情況

經過分析，當勵磁系統接到停機指令時，勵磁系統處于AVR調節模式，受到其V/F控制限制，機組勵磁電流保持在額定工作電流，而機端的電壓隨轉速下降逐漸降低。由于制動投入之前，勵磁系統工作模式切換沒有動作，導致電制動開關投入后，機端三相短路。此時發電機機端電壓為零，在短路電流的沖擊效應下，由于此時V/F限制起作用，無法限制勵磁電流。勵磁電流瞬間過電流，超過勵磁變保護設定值，造成勵磁變過流保護動作跳閘，發電機內部瞬時產生比較大的電磁力，作用在轉子磁極相對脆弱的部分，導致了螺栓受到剪力而變形或斷裂。

因此本文對上述制動過程中磁極線圈受力情況進行詳細分析研究。

1 計算分析

現以某臺抽水蓄能發電電動機作為研究對象，對其進行分析，其基本數據如表1所示。

表1 發電機基本數據

發電電動機在制動過程中，發電電動機應首先與負載解列，然后拉滅磁開關進行滅磁，使發電電動機進入空轉，待轉速下降至50%額定轉速時，投入電制動開關[1-2]。當電制動開關拒動時，即發電機出口處未進行短接，而轉子勵磁繞組故障通入強勵磁電流。或者電制動開關已動作，轉子勵磁繞組故障同時也通入強勵磁電流，從而發生了電制動投入時勵磁故障電氣事故。

本文采用場路耦合時變電磁場有限元法[3-5]，計算電制動投入過程中發生勵磁故障定子繞組三相短路時轉子繞組向心電磁力。根據電機電磁場的周期對稱性及每極每相槽數[6]，該發電電動機轉子繞組向心電磁力計算場域為2個磁極，即一個單元電機，如圖2所示。

圖2 求解實體模型及轉子線圈局部放大

2 計算過程分析

2．1 定子繞組側電制動開關未投入情況

該種情況，采用發電電動機轉速50%額定轉速，定子繞組機端開路，轉子勵磁繞組接強勵磁電壓678.525 V(相當于投入最大勵磁電流3 320 A)情況下，來計算轉子勵磁繞組向心電磁力。相關分布云圖見圖3、圖4，二維求解場域及耦合電路示意圖見圖5。

圖3 磁密分布云圖

圖4 轉子繞組力密度分布云圖

同時利用二維有限元進行轉子繞組所受電磁力計算。對于定子側電制動開關未投入時，分別進行了三維有限元和二維有限元計算轉子繞組受力情況，分布示意見圖6，結果如表2所示。

圖5 二維求解場域及耦合電路

圖6 某一時刻下磁密云圖分布及轉子繞組力密度分布

表2 轉子繞組所受最大電磁力

通過觀察三維有限元和二維有限元計算對比可以看出，轉子繞組受力的幅值和徑向力都基本相當。即轉子勵磁繞組短邊所受的電磁力相對于長邊所受的電磁力比較起來，可以忽略不計。也就是說可以由二維電磁場來計算轉子線圈的電磁力受力情況。

2．2 定子繞組側電制動開關投入穩態情況

該種情況采用發電電動機50%的額定轉速投入電制動，使定子繞組機端短路。轉子勵磁繞組投入最大勵磁電流為3 320 A，從轉子勵磁繞組電流持續投入的情況，計算轉子勵磁繞組向心電磁力。分布示意見圖7、圖8和圖9，結果如表3所示。

圖7 某時刻磁密云圖分布及轉子繞組力密度分布

圖8 受力最嚴重時刻磁密云圖分布

圖9 受力最嚴重時刻轉子繞組力密度分布

幅值/kN徑向/kN周向/kN-420.72-385.14169.34

2．3 定子繞組側電制動開關投入瞬態情況

該種情況采用發電電動機50%的額定轉速，轉子勵磁繞組投入勵磁電壓678.525 V(相當于投入最大勵磁電流3 320 A)并持續投入，然后投入電制動使定子繞組機端短路，來計算轉子勵磁繞組向心電磁力。

轉子線圈勵磁電流和單邊所受合力示意圖見圖10、圖11所示，所受最大電磁力結果見表4。

圖10 轉子線圈勵磁電流

圖11 轉子線圈單邊所受合力

表4 轉子繞組所受最大電磁力

3 結論

本文以某抽水蓄能機組為對象，對其電制動運行各種工況進行了分析計算，發現制動開關投入瞬間轉子勵磁線圈所受電磁力有尖峰值，對磁極線圈焊縫強度會造成破壞，使得磁極受損。在實際機組運行時，宜對勵磁系統信號控制的邏輯進行優化，避免再次出現本文開始時發生的故障情況。