汽轮发电机负序损耗与发热问题的研究

摘要

作为电力系统中最为核心的重要大型设备，汽轮发电机一直以来都是国内外各大电力装备公司竞相研发的主要对象。同样，长期备受国际学术界和工程界密切关注的，无疑是其核心关键技术的研发工作。目前不断提升的发电机单机容量，以及相应加重的发电机电磁负荷和热负荷，极易引发汽轮发电机内部的局部发热。必然存在的不对称运行，也使得负序电流对发电机带来的危害日趋加剧。因此，研究不对称工况下汽轮发电机的损耗与发热问题，对于分析汽轮发电机的负序运行特性、提高负序运行能力等方面具有至关重要的科学意义。
　　本文基于电磁学与热力学的基本理论，构建了汽轮发电机的三维温度场有限元模型，展开了负序分量为2％IN、6％IN以及10％IN三种不同负序工况下的负序损耗与温度场计算。研究了多种负序工况下，不同类型汽轮发电机的负序温度的具体分布情况，并依据实际案例与实践运行情况，总结归纳出了发电机稳态与暂态负序能力的主要影响因素，指出了负序运行能力急需探索与解决的实际问题。
　　在短路电流结果的基础上，分析和引入了直流电流分量的等效负序作用，并对线间突然短路和单相突然短路两种常见故障进行了详尽的分析与比较，得到了一系列不同运行方式下直流分量等效负序作用结论，找到了直流分量的作用规律。进而，基于直流分量等效负序作用，提出了改进的暂态负序判据。
　　针对汽轮发电机，展开了不同负序工况下，采用不同横向槽间距、不同槽楔材料和阻尼结构时，转子表面涡流损耗的有限元计算与分析。分别针对无横向槽、大齿铣有9条横向槽，以及铣有19条横向槽三种情况，展开了系统详尽地分析与计算，探究了不同横向槽条数对负序涡流损耗变化的影响。并且，还讨论了不同阻尼绕组装设大齿表面对负序损耗变化的影响。计算并得出了无阻尼绕组、每个极面装设2根阻尼条，以及每个极面装设4根阻尼条三种情况下，转子表面的涡流分布情况。同时，分别对采用不同槽楔材料的三种情况下，转子各部件的涡流损耗密度分布，展开了详细深入地分析与计算，研究了不同槽楔材料对涡流损耗的影响。给出了汽轮发电机在不同负序工况下，不同横向槽间距、不同阻尼结构、不同槽楔材料对改善转子各部件损耗分布的影响规律。
　　汽轮发电机的转子负序发热问题，在负序涡流损耗研究之后，多种负序工况计算相继深入开展。进行了无横向槽、大齿铣有9条横向槽，以及铣有19条横向槽三种情况的温度场计算。进而分析了大齿表面装设阻尼绕组对温度分布所产生的影响。定量地给出了大齿无绕组、每个极面有2根阻尼条以及4根阻尼条三种不同情况下的温度分布。并进一步展开了，采用不同槽楔材料时转子温度场计算，研究了不同槽楔材料对转子温度场变化的影响。揭示了汽轮发电机在不同负序工况下，不同横向槽间距、不同阻尼结构，不同槽楔材料对转子发热影响的变化规律，并给出了相应的应用建议，为相关的后续研究提供了理论依据与参照。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景与研究意义

1．1．1 课题的研究背景与来源

1．1．2 课题的研究意义

1．2 国内外研究现状与分析

1．2．1 发电机负序问题的研究现状与分析

1．2．2 电机内温度场的研究现状与分析

1．3 负序电流损伤汽轮发电机转子的实例分析

1．3．1 负序电流烧损转子事故与异常情况

1．3．2 负序电流烧损转子的特征分析

1．4 论文的主要研究内容

第2章 汽轮发电机建模与暂态负序能力判据修正

2．1 引言

2．2 汽轮发电机三维模型的建立

2．2．1 三维模型的建立

2．2．2 转子有限元模型的建立

2．2．3 三维涡流场与温度场的数学模型

2．3 汽轮发电机温升试验与结果验证

2．3．1 额定运行分析

2．3．2 温升试验与结果验证

2．4 负序能力判据基本原理及存在的问题

2．4．1 稳态负序能力

2．4．2 暂态负序能力

2．4．3 实践应用中暂态负序判据存在的问题

2．5 直流分量的作用分析

2．5．1 三相突然短路时的电流

2．5．2 直流分量的等效负序作用分析

2．6 暂态负序判据的修正

2．6．1 两相短路无阻尼绕组时的修正

2．6．2 两相短路有阻尼绕组时的修正

2．6．3 单相短路无阻尼绕组时的修正

2．6．4 单相短路有阻尼绕组时的修正

2．6．5 负序判据修正前后有效性比较

2．7 本章小结

第3章 不同负序分量时横向槽对负序损耗与发热的影响

3．1 引言

3．2 大齿无横向槽对负序损耗与发热的影响

3．2．1 不同负序分量时转子损耗的计算

3．2．2 不同负序分量时转子温度场的计算

3．3 大齿有九条横向槽对负序损耗与发热的影响

3．3．1 不同负序分量时转子损耗的计算

3．3．2 不同负序分量时转子温度场的计算

3．4 大齿有十九条横向槽对负序损耗与发热的影响

3．4．1 不同负序分量时转子损耗的计算

3．4．2 不同负序分量时转子温度场的计算

3．5 横向槽间距在实际应用中的选取分析

3．6 本章小结

第4章 不同负序分量时极面阻尼结构对负序损耗与发热的影响

4．1 引言

4．2 极面无阻尼条对负序损耗与发热的影响

4．2．1 不同负序分量时转子损耗的计算

4．2．2 不同负序分量时转子温度场的计算

4．3 极面有两根阻尼条对负序损耗与发热的影响

4．3．1 不同负序分量时转子损耗的计算

4．3．2 不同负序分量时转子温度场的计算

4．4 极面有四根阻尼条对负序损耗与发热的影响

4．4．1 不同负序分量时转子损耗的计算

4．4．2 不同负序分量时转子温度场的计算

4．5 极面阻尼结构的影响分析

4．6 本章小结

第5章 不同负序分量时槽楔材料对负序损耗与发热的影响

5．1 引言

5．2 铝青铜槽楔对负序损耗与发热的影响

5．2．1 不同负序分量时转子损耗的计算

5．2．2 不同负序分量时转子温度场的计算

5．3 铍青铜槽楔对负序损耗与发热的影响

5．3．1 不同负序分量时转子损耗的计算

5．3．2 不同负序分量时转子温度场的计算

5．4 负序工况下三种常用槽楔材料的计算结果对比

5．4．1 三种槽楔材料的转子损耗计算结果对比

5．4．2 三种槽楔材料的转子温度场计算结果对比

5．5 槽楔材料应用中的选取分析

5．6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文

攻读学位期间参与完成的科研项目

致谢