六相脉冲发电机稳态负序能力分析

栾庆伟，杨怀海，潘波

(1哈尔滨大电机研究所，黑龙江哈尔滨150040；2哈尔滨理工大学，黑龙江哈尔滨150001；3佳木斯电机股份限公司，黑龙江佳木斯154002)

六相脉冲发电机稳态负序能力分析

栾庆伟1, 2，杨怀海3，潘波3

(1哈尔滨大电机研究所，黑龙江哈尔滨150040；2哈尔滨理工大学，黑龙江哈尔滨150001；3佳木斯电机股份限公司，黑龙江佳木斯154002)

以一台六相脉冲发电机为例，采用电磁场与温度场耦合的方法研究了六相脉冲发电机稳态负序能力，同时探讨了负序电流产生机理以及六相脉冲发电机的稳态负序能力考核标准。相关标准对于六相电机规定较少，因此对于研究此类电机有一定的参考价值。

脉冲发电机；六相电机；稳态负序

0 引言

发电机在运行中不可避免的存在某种不对称状态，此时电机电流中将含有一定的负序电流。负序电流产生的负序旋转磁场，相对转子沿反方向以两倍基波的角速度旋转，在阻尼绕组中感生电流，引起负序损耗，使阻尼绕组温度升高。另外，当发生故障不对称运行时，定子绕组中产生较大的负序电流，也同样会引起阻尼绕组温度升高。阻尼条温度过高时，会造成阻尼条的熔断，或者损毁，影响机组的安全的运行，因此对发电机的负序能力研究是十分必要的。

脉冲发电机是一种能在短时间内提供高电压、大电流或者脉冲大功率脉冲的发电机。以某300MVA交流脉冲发电机为研究对象，对其负序能力进行了研究。此台脉冲发电机的定子绕组采用6相2-Y移30°结构，其通常运行工况为：绕线式异步电动机采用转子串接液体电阻恒定子额定电流起动并加速机组，机组整个开机过程(由静止起动到额定转速)的时间不大于15min，机组额定转速下等待指令进行重复放电和再加速，装置放电时一次释能时间(同步发电机发电时间)约15s(带额定负荷时间10s，空载励磁上升及下降共5s)，重复释能周期10～15min，再加速(由0.7倍额定转速加速到额定转速)时间不大于5min；机组每年平均使用100多天，通常每天起动次数1次(但设计值每天应能重复起动次数不少于2次)，每天约40次再加速和脉冲放电。因此有必要针对其绕组结构和运行方式的特殊性对其负序能力进行研究。

1 负序电流的产生机理

发电机负载不对称运行是电力系统运行中经常出现的情况，此时电机内就会产生负序电流。而即使在发电机负载完全对称的情况下，由于定、转子之间的齿槽效应，仍然会有感应电流在阻尼绕组内产生。

在不对称的三相负载情况下，即使三相电压是对称的，电流仍然是不对称的。但考虑到电路是线性的，如将不对称电流分解为零序、正序和负序三组对称的电流分量，则分析每一组对称的电流分量就变得简单易行。这种计算不对称三相电路的方法称为对称分量法[1]。

(1)

式中，a=∠120°。从而得到其中A相电流的零序、正序以及负序分量为

(2)

当定子绕组中产生负序电流时，该负序电流所产生的负序磁场同样以同步转速旋转，但与正序旋转磁场的旋转方向反。因而，以同步转速旋转的发电机转子将以2倍同步转速切割该负序磁场，从而在励磁绕组、阻尼绕组甚至转子本体中感应出2倍工频的负序电流。负序电流在电机转子阻尼绕组中将引起附加热损耗，若损耗过大，会引起阻尼绕组温度过高，严重情况下会引起熔断，若在机组运行过程中发生熔断。由于本脉冲发电机额定电流为29kA，定子侧发生不对称运行时，负序电流势必很大。因此在发电机设计时，必须考虑发电机的负序运行能力。

2 脉冲发电机稳态负序损耗计算

脉冲发电机的基本数据如表1所示。采用有限元软件建立脉冲发电机模型，为了减少计算量，建立整模型的1/24，模型极数为1个极，定子槽数为12槽。设置好材料属性、运动属性、边界条件后的有限元模型如图1所示。

图1 脉冲发电机有限元模型

图2为脉冲发电机稳态负序能力求解模型的定子电路示意图，脉冲发电机的工作制与常规三相水轮发电机相比，其单次同步运行(同步发电机发电运行时间)时间很短，约15s(带额定负荷时间10s，空载励磁上升及下降共5s)，而对常规三相水轮发电机额定容量为125MVA及以下的空气冷却水轮发电机不超过电流12%；额定容量大于125MVA的空气冷却水轮发电机不超过9%；定子绕组水直接冷却的水轮发电机不超过6%。

图2 稳态负序能力求解模型的定子电路示意图

由于研究用的脉冲发电机容量为300MVA，在研究稳态负序能力时，首先在定子绕组侧施加额定电流的9%作为负序电流来模拟脉冲发电机稳态运行时出现不对称的工况。A相电流的确定如式(3)，B相电流如式(4)，C相电流软件根据基尔霍夫电流定律自动满足。另一Y支路激励源按同样方法给出，参见式(5)，式(6)。计算脉冲发电机单次同步运行时间内(15s)阻尼绕组的损耗。

(3)

sin(2πft+120°)

(4)

sin(2πft-30°)

(5)

sin(2πft+90°)

(6)

采用瞬态场求解器计算了脉冲发电机空载运行工况时四种转速下阻尼条损耗。图3 为转子磁极阻尼条编号。四种转速下各阻尼条的损耗如表2所示。

由表2可以发现，转速540r/s时,磁极上各阻尼条损耗较大。

3 脉冲发电机稳态负序温度计算

电机是一种机电能量转换设备，在机电能量转换过程中不可避免地要产生损耗，这些损耗绝大部分变成热量，使电机各部分温度升高。本文采用电磁场与温度场耦合的方法，将上节计算得到的阻尼条损耗作为热源，直接与温度场进行耦合，算得到四种转速下各阻尼条温度。根据热力学相关知识，可以确定转子磁极表面以及阻尼条表面为散热面，边界条件为第三类边界条件[2]，如图4所示，初始环境温度为53℃。四种转速下散热系数见表3。图5、图6、图7、图8为各个转速下各阻尼条温度分布图。

表3 四种转速下散热系数(W/ m2·℃)

图4 转子磁极表面和阻尼条散热边界

图5 540r/min阻尼绕组温度图

图6 498r/min阻尼绕组温度图

图7 415r/min阻尼绕组温度

图8 335r/min阻尼绕组温度图

以上计算了转速540r/min时15s内阻尼绕组的温升情况，由于研究脉冲发电机长期不对称运，因此计算了该转速下100s 阻尼绕组的温度。图9为Damper1100s时的温度曲线，可以看到100s时，阻尼绕组的温度趋于稳定，为56.2℃。

图9 转速540时阻尼绕组Damper1100s温度曲线

4 六相脉冲发电机负序能力考核标准的讨论

对于普通的三相水轮发电机，其稳态负序能力主要参照如下标准:标准GB/T 7894—2009《水轮发电机基本技术条件》中规定，水轮发电机在不对称电力系统中运行时，稳态负序电流为下列数值时应能长期运行：额定容量为125MVA及以下的空气冷却水轮发电机不超过12%；额定容量大于125MVA的空气冷却水轮发电机不超过9%；定子绕组水直接冷却的水轮发电机不超过6%。标准JB/T 8445—1996《三相同步发电机负序电流承受能力试验方法》中规定了在电机长期运行时紫铜阻尼条允许的最高温度为130℃。

由于脉冲发电机的定子绕组采用6相2-Y移30°结构，其运行情况在前言部分已经介绍，常规三相水轮发电机负序能力的考核标准是否适用，仍然需要进一步研究，国家相关标准和IEEE，以及IEC也没有相关的规定。但是就发电机负序能力而言，归根结底，是由转子各结构件允许的最高温度所决定的，各结构件所允许的最高温度仍然参考JB/T 8445—1996《三相同步发电机负序电流承受能力试验方法》[3]中相关规定，如表4所示。

表4 转子各结构件允许最高温度

5 结语

本文通过对六相脉冲发电机的稳态负序能力进行分析，并采用电器场与温度场耦合的方法，计算了负序温度，其结果完全符合考核标准。因此本文的技术在实际应用中和学术上有一定的参考价值。

[1] 汤蕴璆.电机学.北京：机械工业出版社，2011.

[2] 丁舜年.大型电机的发热与冷却.北京：科学出版社，1992.

[3] JB/T 8445—1996三相同步发电机负序电流承受能力试验方法.

Analysis on Steady-State Negative-Sequence Ability ofSix-Phase Pulse Generator

LuanQingwei,YangHuaihai,andPanBo

(1.Harbin Institute of Large Electrical Machinery, Harbin 150040, China；2.Harbin University of Science and Technology, Harbin 150001, China；3.Jiamusi Electric Machine Co., Ltd., Jimusi 154002, Chinaa)

Taking a six-phase pulse generator as an example, the steady-state negative-sequence ability is studied by method of coupling electric magnetic field and temperature field. The production principle of negative-sequence current and assessment standards of steady-state negative-sequence ability are discussed. There are very little related standards about six-phase generator, so this paper has a certain reference value.

Pulse generator；six-phase generator；steady-state negative-sequence

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.02.06

TM301.3

A

1008-7281(2017)02-0019-004

栾庆伟 男 1981年生；毕业于哈尔滨理工大学电气工程及其自动化专业，现从事水轮发电机、汽轮发电机以大型交直流电机研发工作.

2017-01-05