轉子偏心對水輪發電機中性點電流的影響分析

周精明，管 醇

（1.廣西大藤峽水利樞紐開發有限責任公司，廣西 桂平 537226；2.國網湖南省電力有限公司桃源縣供電分公司，湖南 常德 415700）

1 概述

隨著單機容量增大，大型水輪發電機的定子繞組普遍采用每相多分支繞組結構。實際運行經驗表明，任何發電機都或多或少存在轉子偏心或轉子不圓等原因導致的氣隙不均勻現象，尤其對于轉速低、定子內徑大的水輪發電機，此類現象較明顯。何玉靈 等[1]分析了發電機轉子傾斜偏心故障前后的定子繞組相電流，推導出正常情況和轉子傾斜偏心故障下的氣隙磁通密度，得到定子繞組相電流的解析表達式。任杰 等[2]為計算轉子偏心時的空載氣隙磁場,提出基于等效變換的解析計算方法。諸嘉慧等[3]通過多回路分析計算,獲得了不同轉子偏心率下橫差零序電流。本文基于某水輪發電機轉子偏心的實際案例,利用有限元分析軟件仿真分析了不同工況下中性點電流的變化，得出轉子偏心會導致水輪發電機空載時中性點各支路內出現環流，偏心程度與中性點零序橫差電流數值密切相關的結論，可為大型水輪發電機運行維護提供理論依據。

2 研究對象和分析方法

2.1 研究對象

某水輪發電機容量為228.6 MVA，定子為雙層條式波繞組，每相采用4 個支路Y 形連接結構[4]，水輪發電機基本參數如表1 所示。發電機中性點每相每個支路配置電流互感器采集支路電流（TA3-TA6），其中每相支路1、支路3 電流和為分支1 電流（TA1），每相支路2、支路4電流和為分支2電流（TA2)；兩個中性點連線上配置電流互感器采集零序橫差電流（TA0）。發電機中性點CT 配置圖如圖1 所示。

圖1 發電機中性點CT 配置圖

表1 水輪發電機基本參數

2.2 運行監測及分析方法

為實時分析水輪發電機轉子偏心情況，分別設置相關傳感器針對定轉子各個方向（每隔60°取一個測量點）的氣隙進行在線監測，氣隙實測數據如表2 所示。由于水輪發電機磁極是凸極形式，設計磁極中間最小氣隙為δmin=23 mm，極弧邊沿最大氣隙為δmax=34.5 mm，測量值基本在此范圍內。此外，GB/T 7894-2009《水輪發電機基本技術條件》中規定：中、低速大容量水輪發電機定子和轉子間氣隙的最大值或最小值與其平均值之差應不超過平均值的±8%[5]，因此初步判斷氣隙存在不均勻，且不均勻程度較大，超過了標準規定數值。

表2 水輪發電機氣隙實測數據

3 仿真分析

采用電磁場有限元法，建立2D 全模型，按GB/T 7894-2009《水輪發電機基本技術條件》中的規定，對轉子偏心8%×δmin時的情況進行了仿真分析，計算模型如圖2 所示，空載耦合電路模型如圖3所示，負載電路模型類似。仿真工況為空載和額定負載工況，為模擬真實情況，在中性點側放置了電阻以提取中性點處的電流，TA0-TA6 對應圖1 中各支路的CT。

圖2 2D 計算模型

圖3 耦合電路模型（空載）

4 結果與分析

4.1 空載工況

4.1.1 不偏心情況

為對比分析，首先對空載工況轉子不偏心情況進行了仿真分析，此時空載磁場及氣隙磁密波形如圖4、圖5 所示，各支路電流、中性點1、2 分支電流以及橫差零序電流波形如圖6～圖8 所示，可見理想狀態時各支路幾乎沒有環流，中性點無電流。

圖4 不偏心時的空載磁場

圖5 不偏心時的氣隙中間磁密

圖6 U 相各支路環流（不偏心時）

圖7 U 相中性點1、2 分支電流（不偏心時）

圖8 橫差零序電流（不偏心時）

4.1.2 偏心情況

對空載工況轉子偏心8%情況進行了仿真分析，此時空載磁場及氣隙磁密波形如圖9、圖10 所示，各支路電流、中性點1、2 分支電流以及橫差零序電流波形如圖11～圖13 所示，可見偏心時各支路出現環流，且中性點1 分支的環流為其中兩個支路之和，2 分支的環流為另外兩支路之和，其大小基本相等，相位相反。

圖9 偏心時的空載磁場

圖10 偏心時的氣隙中間磁密

圖11 U 相各支路環流（偏心時）

圖12 U 相中性點1、2 分支電流（偏心時）

圖13 橫差零序電流（偏心時）

4.2 額定工況

對額定工況轉子偏心8%情況進行了仿真分析，此時負載磁場及氣隙磁密波形如圖14、圖15 所示，各支路電流、中性點1、2 分支電流以及橫差零序電流波形如圖16～圖18 所示，可見偏心時各支路電流出現不平衡，中性點1 分支與2 分支電流約為2倍支路電流，相位相同。

圖14 偏心時的負載磁場

圖15 偏心時的氣隙中間磁密

圖16 U 相各支路環流

圖17 U 相中性點1、2 分支電流

圖18 橫差零序電流

5 結論

實際運行經驗表明，任何發電機都或多或少存在轉子偏心或轉子不圓等原因導致的氣隙不均勻現象，尤其對于轉速低、定子內徑大的水輪發電機，此類現象較明顯。且隨著運行時間和啟停次數的累計等因素，定轉子間氣隙會較安裝調試時有所變化并趨于穩定。結合現場監測數據、現象和仿真分析結果可得出如下結論：

（1）發電機轉子偏心造成氣隙不均勻，會導致水輪發電機空載時中性點各支路內出現環流，偏心程度與中性點零序橫差電流數值密切相關；

（2）在空載時，環流在各支路內部流通形成回路，因此各支路的電流方向自然相反（即反相位）；在負載時，負載電流由主引線（高電位）流向中性點引線（低電位），此時所有支路電流方向相同（即同相位）。