付国宏,秦风斌,李文金,雷秉惠,金龙兵(中国长江电力股份有限公司,湖北 宜昌 443002)
水轮发电机组在检修之前或者安装完毕以后,需要进行盘车,以便对发电机的轴线进行测量和调整。并通过仪表测量各个部位的摆渡值,用来分析轴线摆渡产生的原因、大小和方位。电动盘车通俗地讲就是使发电机的转子低速旋转,根据测量数据确保机组轴系的摆渡、振动在规定范围之内。
目前,水电站的盘车方式主要有三种:人力盘车、机械盘车和电动盘车[1-2]。人力盘车利用人力拖动机械设备来推动发电机转子旋转,这种人力盘车适用于小型机组。而对于中大型发电机组,往往需要利用桥机或者机械装置来进行牵引,用滑轮作钢丝绳带动发电机转子旋转。这种盘车方式的优点是不需要增加其他设备,操作比较简单;其缺点是操作过程中无法准确控制发电机转子的转速,转子无法保持匀速旋转,停落点无法准确预测,随机性较大。电动盘车既可适用于小型机组,也可适用于中大型机组,能够精确控制发电机转速,有效避免了机械盘车中出现的诸多问题。
电动盘车就是在发电机的定转子中分别通直流电流,使其产生磁场,根据电磁原理中的同极性相斥、异极性相吸的特点使发电机转子旋转。这种盘车方式虽然增加了部分电气设备,控制电路相对复杂,但是提高了自动化程度,停落点精确可靠,总体效率相对提高。
发电机主要由定子、转子和机座构成。本文所述的发电机型号为SF150-96/15600,机组额定功率为150 MW,由哈尔滨电机厂制造。发电机定子线圈为双层叠绕组,每层792槽,总共1 584根线棒,每糟口中上下层嵌入定子线棒,其接线方式为3Y。定子绕组采用3回路并联,每极每相槽数为2.75槽,定子绕组节距为1-8-17。水轮发电机的转子结构为凸极式形式,转子直径为14.96 m,转子重量为600 t。一共48个磁极对。每个磁极线圈由20匝绕制而成,转子磁轭高度为1.85 m。96个磁极线圈依次串联而成48个N极和S极的磁极对。
假设通电时发电机的转子的初始位置与定子的A相轴线重合,此时转子的磁性为S,定子A相磁性为N,如图1(a)中所示。根据极性相异互相吸引的原则,转子不会旋转。切断A相电流,给B相通入直流,B相磁轴与转子磁轴相差120°的电气角度,根据异性相吸原则,产生的电磁力使得发电机转子顺时针旋转到B相,如图1(b)中所示。切断B相电流,给定子C相通入直流,发电机转子继续顺时针旋转。转子能够顺时针旋转的条件是给发电机定子ABC三相顺次通入电流,且电磁转矩大于转子的摩擦转矩。
图1 电动盘车磁场原理图
通入发电机转子的直流电流为I1,定转子间的磁极气隙平均磁通密度为B,磁极线圈的一匝导体的有效边长为L,则一匝线圈所受到的电磁力为F=2BI1L。设发电机转子半径为R1,转子旋转夹角为α,则发电机转子在气隙磁场中受到的电磁力矩为T=2BI1LR1cosα。发电机的转子有2p个磁极,每个磁极线圈由N1匝组成。则发电机转子在定子磁场中受到的电磁转矩为
Tm=2pgN1g2BI1LR1cosα=4pN1BI2LR1cosα
(1)
发电机定子的每极每相槽数为N2,根据它与定子槽数的关系可得
(2)
式中:Z为定子槽数;a为每一相并联支路数。
在磁场中,根据磁路的基尔霍夫定律[3]可知
F=∑N2I2′=∑ΦRm
(3)
式中:F为磁动势;I2′是定子并联电路电流;Rm为磁阻;Φ为磁通。其中磁阻Rm有
(4)
式中:lm为气隙长度;μ为气隙磁导率;S为极面积。
在定子绕组中,每一相采用三路并联,则
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(5)
式中,I2为定子电流。根据磁动势、磁阻和定子电流的相互关系得到磁通B为
(6)
根据式(6)的表达式,进一步得到电磁转矩Tm为
(7)
空载条件下,发电机的转子旋转的摩擦力矩为
(8)
式中:G是转子旋转部分的总重量;Km是推力瓦轴承的摩擦系数,一般条件下取0.3~0.4之间,本文按Km=0.4作为转子旋转的摩擦系数。其中推力瓦旋转的摩擦直径为
(9)
式中:D是推力瓦的外径;d是推力瓦的内径[4]。
在空载条件下,要是发电机转子旋转起来,则有Tm>Tmf,即
(10)
将公式(10)进一步变形可得
(11)
查看哈尔滨电机厂的SF150-96/15600的发电机参数可知,定转子之间的平均气隙为20 mm,气隙磁道系数为μ=4π×10-7(H/m)。推力瓦的外径为3.9 m,推力瓦的内径为2.45 m。cosα在0到1内正旋变化,本文取0.5。根据所述发电机定转子的参数得到发电机定转子启动电流的乘积为
考虑到定子电流是产生磁场的主要组成部分,它在定转子气隙磁场中的磁通密度很大。根据经验得到定转子电流之间的关系为I2≈(2∶2.5)I1,根据以上公式可得I1=950 A,I2=1 960 A。适当地降低转子电流,可以使发电机换相更加平稳。本文所述机组在检修盘车中的通入的实际电流为I1=950 A,I2=1 200 A。
在发电机电动盘车时,通入定子和转子的直流电流是由外部检修电源提供的,它与发电机的额定电压、转子电流没有直接关系。对定子绕组和转子绕组直接提供电源的电路,称为盘车装置的电气一次线路,其结构图如图2所示。发电机定子的线路依次从专用厂用检修电源,经过断路器、调压变压器、三相半波整流器、隔离开关送到定转子绕组[5]。定子主回路采用三相全波全控整流,在发电机转子旋转时不断换相,促使发电机转子步进旋转。转子主回路经过励磁系统形成直流与碳刷架的正负极相连,使发电机转子形成稳定的磁场。
图2 盘车装置电气接线原理图
电动盘车装置的二次回路主要由微机调节控制器(PLC)、监控器和检测器组成。其中PLC是信号处理的核心单元,通过检测输入信号,完成数据运算处理,输出处理完成的信号,达到控制所需的要求。监控器主要由电压表、电流表、信号灯和开关按钮组成。对系统的工作状态和输入输出信号量进行监视。检测器主要是通过电流传感器对发电机的定转子电流进行检测,实时地将检测到的数据传送到微机中。
在电动盘车过程中,当定子励磁柜的电流按照设定值整定时,发电机的转子随着切换相正常地步进旋转,有时也会出现“不动”或者 “倒转”现象。针对这种现象,有人根据公式(10)的关系式,将其归咎为启动电流小、电磁转矩不够。但是在随后的试验过程中,增加定转子电流,也就是增加电磁转矩,并没有很好地解决这个问题,反而增加了发电机换相过程的抖动。此外,在盘车过程中给发电机推力轴承和镜板的接触面涂抹润滑油,进一步减小摩擦力矩。按照增大电磁转矩、减小摩擦力矩的思路,并没有得到理想效果。重新对电动盘车的原理进行分析,发现所给出的定转子启动电流是能够拉动发电机转子步进旋转的。由此可知这并不是电磁转矩小、电磁转矩不足引起的。与此同时,在试验过程中还会发现另外一个现象,当发电机转子旋转不动的时候,停下来等一段时间再重新启动,发电机转子又能恢复旋转。
综合上述现象分析,其实都是铁芯剩磁引起的[6]。这也刚好解释了为什么增大电流会无济于事,而停一段时间重新启动却能继续旋转。剩磁现象发生的原因是转子铁芯中的磁畴在气隙磁场作用转向后,其位置不能马上恢复原状,其磁性仍然会保留一部分。在盘车过程中,想要减小剩磁现象的影响,一般在发电机转子启动旋转以后,迅速减小定子电流,这样可以使发电机转子旋转地更加平稳。减小发电机的旋转速度,也能使发电机同心度的测量更加精确,盘车的数据重复性好,盘车更容易一次性达到成功。
采用电动盘车操作简单、方便可靠、性能优越,可以提高检修效率。通过在发电机组检修前后盘车现场调试与应用,证明了所推导的电动盘车定转子电流的有效性。检修人员按照此种方法,可以准确地测量出检修发电机组的轴线,保证了发电机轴的摆度和瓦温均在规定范围内,这为其他机组的盘车提供了参考,具有一定的指导意义。