阻尼结构分析

高速机组阻尼绕组结构型式的探讨 一、前言 水轮发电机设置阻尼绕组可以抑制转子自由振荡，提高电力系统运行稳定性，削弱过电压倍数，提高发电机承担不对称负荷的能力和加速发电机自同期过程。但将导致电机结构复杂和用铜量的增加。尤其是对于高速机组设置横向阻尼，其结构更为复杂。国内、外有不少制造厂往往采用不连续阻尼环，使结构简化。但横轴阻尼作用有所削弱。 本文结合泉州市龙门滩二级电站发电机SF13-10/3000的设计就高速机组阻尼绕组结构型式进行探讨。 二、不同阻尼结构对电气参数的影响 阻尼环结构可分为两大类：一是连续整圆结构；二是不连续的扇形结构。采用第二种结构型式，横轴阻尼作用显然被削弱了。这种结构差异在电机设计中直接影响到阻尼绕组横轴漏抗Xkq的数值，从而影响到横轴超瞬变电抗Xq″、负序电抗X2以及瞬变电流衰减的时间常数等的数值。导出它们的显函数是十分复杂的，且不易进行直观的判断。这里对SF13-10/3000发电机两种阻尼结构进行计算和比较，计算结果列于表一。 从表一可见，采用扇形阻尼环较之整圆阻尼环横轴超瞬变电抗Xq″增大50％，负序电抗X2增大22.5％，瞬变电流衰减时间常数也有所增大。但是它们仍在常规的取值范围内，并非产生“离谱”的效果。 表一：两种不同阻尼绕组电抗及时间参数 序号 项 目 A B C D 备 注 整圆结构 扇形结构 取值范围 差异D= % 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 阻尼绕组横轴漏抗Xkq 横轴超瞬变电抗Xq″ 负序电坑X2 机端两相短路时瞬变电流衰减时间常数Td2′ 机端两相短路时超瞬变电流衰减时间常数Td2″ 机端两相短路时非周期分量衰减时间常数Ta2 机端单相短路瞬变电流衰减时间常数Td1′ 机端单相短路时超瞬变电流衰减时间常数Td1″ 机端单相短路时定子电流非周期分量衰减时间常数Ta1 机端三相突然短路定子电流非周期分量衰减时间常数Ta3 0.0808 0.1692 0.1662 1.6937 0.1398 0.0178 1.8249 0.1442 0.0930 0.1208 0.2154 0.2539 0.2036 1.7904 0.1431 0.0218 1.9157 0.1469 0.1114 0.1445 0.16--0.39 0.16--0.30 0.8---5.0 0.02---0.2 0.08---0.4 1.0----6 0..03--0.3 0.1--0.5 0.08--0.32 +166.6 +50.0 +22.5 +9.7 +2.4 +22.5 +5.0 +1.9 19.8 19.6                 三、不同阻尼结构对故障的影响 如前所述由于阻尼绕组结构不同，电机的电抗、时间常数不同，因而在事故工况下产生的过电压及过电流衰减的情况有所差别。现就几种事故工况进行 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 。 单相突然短路故障状况与电机中性点接地方式有关。由于本机采取中性点不接地方式。即使单相失地，也不存在单相突然短路的问题。 三相突然短路时，阻尼绕组结构型式不同，对故障影响的效果，主要是突然短路电流中非周期分量衰减时间增大，扇形结构衰减时间为0.1445s较之整圆结构大19.6％〔见表一〕，就其数值仍属于比较小的范围，通常电机的时间常数Ta为0.08～0.32s。可见不同阻尼结构对三相突然短路的故障效果影响不大。换言之，扇形结构的阻尼绕组对于三相突然短路的故障是能适应的。 对于两相突然短路，阻尼绕组结构不同影响较多。现把计算列于表二。从表二中可以看出，采用扇形结构较之整圆结构好处是突然短路电流减小，最大脉振转矩减小；弊处是衰减时间变长，平均力矩变大，开路相的过电压变大。 脉振力矩小，使电机经受的机械冲击小。对电机避免因短路而造成剧烈振动和机械性冲击是很有利的。 平均转矩对应于定、转子中的短路铜耗，对电机造成后果是不大的。 短路电流变小，衰减时间变大，I2t关系计算短路电流对定子绕组产生热冲击，计算结果列于表三。从表三可见采用扇形结构对短路电流的热冲击比较小。 表二：不同阻尼结构两相短路时的短路电流、转距 序号 项 目 A B D 备 注 整圆结构 扇形结构 差异D= % 1 2 3 4 5 6 7 超瞬变电流分量Id2″ 瞬变电流分量Id2′ 稳态分量Id2 非周期分量最大值Ta2 最大脉振转距Men2 最大平均转距Mcp2 开路相最大电压Umax 5.2566 4.0620 1.3411 7.4340 7.8953 0.0873 1.0355 4.7208 3.7345 1.3034 6.6762 2.8445 0.0915 2.11 -10.2 -8.1 -2.8 -10.2 -64.0 +4.8 +103.8               表三：不同阻尼结构两相短路时的热冲击 序号 项 目 A B D 备 注 整圆结构 扇形结构 差异D= % 1 2 3 Id2″2·Td2″ Id2′2·Td2′ Id22·Td2 3.8629 27.946 0.9837 3.1891 25.090 0.9717 -17.4 -10.2 -1.2               对于开路相的过电压，扇形结构较之整圆结构大103.8％。也就是说，扇形阻尼环的结构对抑制两相短路时，所产生的过电压不如整圆阻尼环好。表二中给出的数值Umax=2.11，即采用扇形阻尼环两相短路时，开路相的过电压倍数为2.11倍。这对一般绝缘结构的发电机也是允许的。电机工频耐压试验的倍数为3.96倍，大气过电压4.7倍，操作过电压4倍，比这数值都大。 综上所述，可见采用扇形阻尼环的结构型式，横阻尼效果虽然有所削弱，但仍具有较好阻尼效果，可以适应电机各种事故工况的运行要求。 四、不同阻尼结构对转子自由振荡的影响 转子自由振荡方程如下：（采用 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 制） H +MD + Ms·Δδ=0                                ① H—电机惯性常数 MD—阻尼转矩系数 Ms—整步转矩系数 当MD=0时转子产生无阻尼的自由振荡,固有频率为f0=2π ，对于SF13-10/3000电机f0=0.08Hz MD的大小反映了电机阻尼效果的大小，它与电机负载大小、功率因数有关，与定子电阻有关。定子电阻越大，MD越小。 对于SF13-10/3000电机定子电阻r=4.38×10-3，λ=2πf0=0.5s-1。略去r2、λ2以上的高次小项，MD计算式如下： Ms+jλMD= Q0+ + -jλr       ② Q0=UmioSinψ0为电机三相稳态输出无功功率 Ψd0=Em-Xdid0=0.9398 Ψq0=-Xqiq0=-0.3520 Xd(jλ)、Xq(jλ)分别为直轴运算电抗和横轴运算电抗 Xd(jλ)=0.3633-0.3046j 对于整圆阻尼环：Xq(jλ)=0.17-0.0208j 对于扇形阻尼环：Xq(jλ)=0.2602-0.05j id0、iq0分别为直轴电流分量与横轴电流分量 id0=Sinψ=0.841 iq0=Conψ=0.541 上式中ψ为内功率因数角 计算结果： 当采用整圆阻尼环时，MD=1.4182；当采用扇形阻尼环时，MD=1.5148。计算的结果表明扇形阻尼环阻尼系数略大于整圆阻尼环，两者相差6.8％。扇形结构的阻尼效果更好些。这是由于扇形结构横轴阻尼绕组的电阻较大，从而横轴阻尼绕组时间常数较小的结果。 换言之，采用扇形阻尼环能较好地抑制转子的自由振荡。 五、关于承担不对称负载的问题 对于电机承担不对称负载的能力，国内、外一般 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 为满足突然短路时，I2t≤40。 这个条件化为对阻尼绕组设计要求，即阻尼绕组的直径应满足下式： dB≥2.5 ×10-1  (mm) dB—阻尼绕组直径 A—电机线负荷 τ—电机极距 nB—阻尼条数 SF13-10/3000电机，dB≥17mm，在结构设计时，取阻尼绕组直径为dB=1.8cm，可以满足不对称负载的要求。 阻尼环的结构型式则与此无关。 六、高速机组阻尼环在结构上的问题 阻尼环的交轴部份，伸出极靴之外，可以看作是一端固支的悬臂梁。它得承受离心力F所产生的弯矩。 对于高速机，离心力较大。SF13-10/3000离心力系数为Af=14.66，转子表面质量为1kg的构件，在飞逸状态下产生的离心力为1700kgf，在如此强大的离心力作用下，阻尼环A-A部件的弯应力不仅大于失稳强度，甚至超过了铜材的强度极限。为此往往在另一端设置拉杆，改善其受力的状况（此时，阻尼环交轴部分成为一端固支，另一端简支的梁）。              但是，如前所述高速电机离心力系数大，拉杆承受自身的离心力相当大，如做成T型拉杆，在其根部螺纹横截面产生的拉应力为1100kgf/cm2，如采用35CrMo钢材σs=5500kgf/cm2，自身离心力的应力占20％。至于磁轭，材料为ZG20MnSi，σs=3500kgf/cm2则占31.4％。 可见为解决阻尼环交轴部分的强度问题，将导致结构复杂化，成本提高，在一定程度可以说是增加了机械故障的危险性。由于阻尼环交轴部分失稳，阻尼环扭弯，而造成定子绕组损毁的事故不乏其例。 七、结束语 根据上述分析，可以得出以下结论： 1、扇形阻尼环将削弱交轴阻尼效果，仅是影响了不对称短路时开路相的过电压倍数。在两相突然短路时，也只有2.11倍，尚小于大气过电压、操作过电压倍数。 2、用何种阻尼环，对于电机承受不对称负载的能力I2t≤40无关。 3、采用扇形阻尼环对提高转子振荡阻尼系数，抑制转子的自由振荡有利。 4、采用扇形阻尼环使得电机阻尼绕组结构简化、可靠、节省材料。 事实上有不少高速机组均是采用这种阻尼结构的。表四列出若干采用扇形阻尼环或实心磁极而极间不作横向阻尼连接的电机。这些机组有的已多年运行，情况良好，亦可作为本文结论的佐证。 为此，建议SF13-10/3000发电机采用扇形阻尼环结构。