摘要：近年来，大型汽轮发电机不对称运行问题被人们所重视。在发电机的运行当中，如果出现了非对称运行，就表明其当前的工作状态不正常。但是在实际应用过程当中，引起发电机的不对称运行的原因多种多样，常见的有负荷不对称、输电线路的不对或其运行方式并非是全相运行，如果同步发电机处于不对称运行状态，其就会产生负序电流，其对于发电机的运行来说是非常不利的。本文对汽轮发电机不对称运行特性进行了分析，希望能对相关企业有所助益。
关键词：汽轮发电机；不对称运行；特性
引言
随着现在全世界范围内核电技术发展水平的不断提高，汽轮发电机的容量越来越大。同步电机有着很明显的优势，其过载能力高，在使用效率上有着明显的优势，和直流电机相比，容量大，同时其内部结构也更为简单，大大提高了可靠性。我国用于发电的能源主要是煤炭，但是现在我国的能源和环境压力都很大，所以人们也提高了对于很多新能源的重视程度，但是同步发电机运行当中的不对称运行对于电厂的运行来说非常不利。
1 汽轮发电机不对称运行问题的提出
近些年，我国电网规模越来越大，同时其中的现代化技术应用也越来越广泛，在其中也已经初步实现了大机组和超高电压输电，跨地区输电也开始实行。但是现在我国电能生产主要依赖于煤炭来进行，但是现在我国能源压力很大，同时环境问题也引起人们的重视，所以很多清洁能源也开始引起人们的重视，如风能水能和太阳能、核能应用比重逐年提高。核能的发电效率较高，同时也可以大大改善环境，现在我国对于核电的应用已经做出了相应的规划。
电力系统的组成分为发电机、输电线路和配电设备，同时也有很大量的用户设备，所以其负荷并不会完全平衡。汽轮发电机在高速运转状态下，如果其负荷不均匀，定子绕组当中就会出现负序磁场，这对于电机的运行会造成严重影响，并且可以经由金属部件形成一个回路，在长时间运行当中，就会出现内部发热，这会导致出现严重的事故。同时电压和电流会形成和畸变问题，形成电磁场分布不平衡问题，不对称运行的负序电流也会导致发电机振动，由此导致很多参数变化。汽轮发电机的定子和转子结构是完全对称的，在正常工况下，对称运行的发电机内部，磁场分布也是均匀的，但是如果其出现了不均匀运行情况，就会由于产生了负序电流，出现畸变，这会加速其电磁力的磨损，出现噪声和振动问题，这对于设备的运行来说是非常不利的。
2 国内对发电机负序工况运行研究现状
大型汽轮发电机不对称运行问题一直被人们所重视，其中主要问题就是不对称运行所产生的负序电流严重危害发电机安全稳定运行。当前，许多学者都对这一问题进行了深入的研究，一方面专注于模拟各种存在负序电流的工况，并对大型汽轮发电机各种不对称运行工况进行建模，另一方面则是着眼于探寻不对称运行时发电机的特性变化规律。
上个世纪八十年代，李纪曾、李德基等人利用试验方法来确定稳态和暂态的负序能力，对转子表面各构件所允许的最高温度等问题进行论述。在此之后，各种分析建模的方法相继涌现。研究了在三相不对称状态运行时，自起动永磁同步电动机的电机特性；建立了正、负序坐标系下基于定子正、负序定向磁链的并网型感应发电机数学模型，通过坐标变换的方法推导出发电机在正、负序坐标系下的电压方程和磁链方程。应用等效谐波绕组模型理论和电压变量法对同步电机两相对中点突然短路情况进行了解析分析，计入了零序电流三次谐波磁势磁通对转子回路耦合作用。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆推导了负序电流及负序磁动势的数学模型，用磁场等效原则和对称分量法两种分析方法，对电机非对称故障进行分析，并通入不对称的三相电流来模拟不对称故障。
3 基于Ansoft有限元仿真分析
（1）电机仿真模型建立
建立汽轮发电机二维有限元模型，并做如下假设以简化计算：①忽略电机的轴向磁场的变化；②假设电机内矢量磁位沿轴向不变，在外电路中添加漏电抗来等效电机端部磁场；③假设定子外表面圆周采用狄利克雷边界条件作为边界且其值为零；④电机材料各向同性，也就是忽略铁磁材料的磁滞效应；⑤忽略因温度而引起的电导率变化。
（2）不对称电流仿真分析
对不同不对称负载情况下负载电流仿真，由实验设定可知，C相阻抗偏离额定值越大，即不对称故障越严重。仿真结果可以看出，故障相C电流逐渐增大，且明显大于非故障相电流；非故障相A、B两相的夹角随不对称程度的增加而逐渐减小，严重偏离120度，B、C两相的夹角逐渐增大。
（3）不对称负载时磁场仿真分析
不对称负载状态比额定负载状态的谐波分量要大，且各次谐波均有所增大，不对称程度越严重气隙磁密5次7次谐波变化更大一些，说明磁场畸变严重导致各谐波幅值变大。磁场发生畸变时电机磁力线会发生扭斜现象，且畸变越严重扭斜程度愈加明显。所以C相不对称情况下磁场畸变比对称运行时更严重。
4 等效电路计算与仿真结果对比
根据所研究的汽轮发电机的额定数据和空载仿真数据，利用Matlab语言编程，计算发电机带不对称负载稳态运行时各相电压，并与有限元仿真数据进行对比。结果表明等效电路计算值与有限元仿真值吻合度高，验证了等效电路模型的正确性。同时，从电压的变化规律可以看出，负载不对称越严重，三相电压的不对称性也越大。
针对汽轮发电机带三相不对称负载运行情况，利用有限元模型仿真，研究了转子表面电磁力变化以及转矩的变化，并分析其原因。从仿真结果得出，随着不对称程度加深，转矩脉动越来越大，频谱分析得知2f分量逐渐增加，对转矩脉动起主要作用。进一步分析径向和切向电磁力密度波形和磁密，发现其两者的基波幅值均依次减小，频谱分析结果发现，无论径向还是切向电磁力波2f分量幅值均越来越大，气隙磁密存在奇次谐波，切3次谐波较小。另外，对电机转子表面切向合力进行分析，转子所受电磁力越来越大，并且电磁力的波动幅度越来越大，与转矩的变化规律一致。
5 结语
综上，本文应用了同步发电机正负序，应用了有限元证明了等效电路的有效性，在负载不对称加强时，三相电压也会因此大大提高其电压不对称性。结合汽轮发电机的有限元模型可以搭建一个外电路联合仿真系统，可以证明，发电机的不对称性越强，电流夹角就会出现越严重的偏离，所以因此造成故障。最后，运行的不对称也会致使电机内的磁场出现严重的畸变。
参考文献：
[1]孟晓峰.浅谈发电机不对称运行的危害及处理[J].商品与质量：学术观察，2013（12）：125-125.
[2]苏志刚，贺军，曹世勇.汽轮机运行特性研究[J].中国科技博览，2010（5）：146-146.
[3]张传文.同步发电机不对称运行的分析[J].科技信息，2010（17）：963-964.
论文作者:张芳1,王文龙2
论文发表刊物:《基层建设》2019年第16期
论文发表时间:2019/8/29
标签：不对称论文; 汽轮发电机论文; 发电机论文; 电流论文; 磁场论文; 谐波论文; 电机论文; 《基层建设》2019年第16期论文;