大型抽水蓄能机组转子磁极线圈受力分析

王 韬，张兴旺，李金香，苟智德

(1. 哈尔滨大电机研究所，黑龙江哈尔滨 150040；2. 哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

2011年，某抽水蓄能电站其中一台机组停机过程中，当合上电气制动开关时，发生励磁变压器过流保护动作，500 kV线路开关跳闸，同时机组低压过流保护动作，发电机转子接地保护动作，导致机组保护动作停机。

事后对发电机进行检查，发现发电机转子磁极阻尼环伸缩接头软连接变形；磁极线圈下端部装配用挡块受径向力剪断或变形，固定螺栓松动或被剪断掉落，如图1所示。

图1 发电机磁极受损情况

经过分析，当励磁系统接到停机指令时，励磁系统处于AVR调节模式，受到其V/F控制限制，机组励磁电流保持在额定工作电流，而机端的电压随转速下降逐渐降低。由于制动投入之前，励磁系统工作模式切换没有动作，导致电制动开关投入后，机端三相短路。此时发电机机端电压为零，在短路电流的冲击效应下，由于此时V/F限制起作用，无法限制励磁电流。励磁电流瞬间过电流，超过励磁变保护设定值，造成励磁变过流保护动作跳闸，发电机内部瞬时产生比较大的电磁力，作用在转子磁极相对脆弱的部分，导致了螺栓受到剪力而变形或断裂。

因此本文对上述制动过程中磁极线圈受力情况进行详细分析研究。

1 计算分析

现以某台抽水蓄能发电电动机作为研究对象，对其进行分析，其基本数据如表1所示。

表1 发电机基本数据

发电电动机在制动过程中，发电电动机应首先与负载解列，然后拉灭磁开关进行灭磁，使发电电动机进入空转，待转速下降至50%额定转速时，投入电制动开关[1-2]。当电制动开关拒动时，即发电机出口处未进行短接，而转子励磁绕组故障通入强励磁电流。或者电制动开关已动作，转子励磁绕组故障同时也通入强励磁电流，从而发生了电制动投入时励磁故障电气事故。

本文采用场路耦合时变电磁场有限元法[3-5]，计算电制动投入过程中发生励磁故障定子绕组三相短路时转子绕组向心电磁力。根据电机电磁场的周期对称性及每极每相槽数[6]，该发电电动机转子绕组向心电磁力计算场域为2个磁极，即一个单元电机，如图2所示。

图2 求解实体模型及转子线圈局部放大

2 计算过程分析

2．1 定子绕组侧电制动开关未投入情况

该种情况，采用发电电动机转速50%额定转速，定子绕组机端开路，转子励磁绕组接强励磁电压678.525 V(相当于投入最大励磁电流3 320 A)情况下，来计算转子励磁绕组向心电磁力。相关分布云图见图3、图4，二维求解场域及耦合电路示意图见图5。

图3 磁密分布云图

图4 转子绕组力密度分布云图

同时利用二维有限元进行转子绕组所受电磁力计算。对于定子侧电制动开关未投入时，分别进行了三维有限元和二维有限元计算转子绕组受力情况，分布示意见图6，结果如表2所示。

图5 二维求解场域及耦合电路

图6 某一时刻下磁密云图分布及转子绕组力密度分布

表2 转子绕组所受最大电磁力

通过观察三维有限元和二维有限元计算对比可以看出，转子绕组受力的幅值和径向力都基本相当。即转子励磁绕组短边所受的电磁力相对于长边所受的电磁力比较起来，可以忽略不计。也就是说可以由二维电磁场来计算转子线圈的电磁力受力情况。

2．2 定子绕组侧电制动开关投入稳态情况

该种情况采用发电电动机50%的额定转速投入电制动，使定子绕组机端短路。转子励磁绕组投入最大励磁电流为3 320 A，从转子励磁绕组电流持续投入的情况，计算转子励磁绕组向心电磁力。分布示意见图7、图8和图9，结果如表3所示。

图7 某时刻磁密云图分布及转子绕组力密度分布

图8 受力最严重时刻磁密云图分布

图9 受力最严重时刻转子绕组力密度分布

幅值/kN径向/kN周向/kN-420.72-385.14169.34

2．3 定子绕组侧电制动开关投入瞬态情况

该种情况采用发电电动机50%的额定转速，转子励磁绕组投入励磁电压678.525 V(相当于投入最大励磁电流3 320 A)并持续投入，然后投入电制动使定子绕组机端短路，来计算转子励磁绕组向心电磁力。

转子线圈励磁电流和单边所受合力示意图见图10、图11所示，所受最大电磁力结果见表4。

图10 转子线圈励磁电流

图11 转子线圈单边所受合力

表4 转子绕组所受最大电磁力

3 结论

本文以某抽水蓄能机组为对象，对其电制动运行各种工况进行了分析计算，发现制动开关投入瞬间转子励磁线圈所受电磁力有尖峰值，对磁极线圈焊缝强度会造成破坏，使得磁极受损。在实际机组运行时，宜对励磁系统信号控制的逻辑进行优化，避免再次出现本文开始时发生的故障情况。