不少农村水电站的运行管理人员对发电机不对称运行的危害性认识不足,因而对此往往不够重视.为了引起农村水电站运行人员对该问题的重视,笔者谈点意见供参考.
1 发电机发生不对称运行的主要原因
农村水电站的运行方式一般都是一方面与县电网并列运行,另一方面承载有一定数量的自供区负荷.若自供区负荷不平衡,例如三相负荷分配不均匀,大容量的单相负荷比重大,造成运行中三相负荷投(切)不均匀程度增加;输电线路发生不对称短路(如单相接地或两相短路);电源由变压器升压后的主控断路器或发电机本身的主控断路器,在操作或运行中三相动作不同步或某相接触不良;输电线路三相导线的阻抗值不相同(如导线的接头过多且集中在某一相中,三相导线的材质或线径不一致)等,都会造成发电机处在不对称工况下运行.
2 不对称运行对发电机的危害
众所周知,发电机是根据三相电流平衡对称的工况下长期运行的原则设计制造的.当三相电流对称时,其所合成的旋转磁场与转子是同方向且转速相等的,即旋转磁场相对于转子来说是静止的,旋转磁场的磁力线不会切割到转子.当三相电流不对称时,即在发电机中会有正序、负序、零序三组对称分量电流产生,其值叠加后可能促使发电机的相电流超出额定值,因而加大了发电机的温升值.另外,正、负序电流分量都会在发电机三相绕组中合成旋转磁场.正序电流分量产生正序旋转磁场,它与转子以同方向、同速度旋转.而负序电流分量产生的负序旋转磁场,其旋转方向正好与转子的旋转方向相反,所以从宏观的角度上看,其转速相对转子的速度来说则是2倍的同步转速.这个以2倍同步转速切割转子的旋转磁场,会在转子铁心的表面、槽楔、转子绕组以及转子其他金属部件中感应产生2倍于工频的电流,所以其集肤效应很强,将使转子表面的附加损耗急剧增加(该损耗值的大小近似地与负序电流值的平方成正比),这将促使转子温升急剧升高.另外,因为水轮发电机的转子都是采取凸极式结构,使其磁极的纵轴方向与横轴方向两者的气隙大小不一样,其磁阻也就不一样,则当负序旋转磁场对着转子横轴附近时,因其气隙大则其磁阻也大,故磁力线就少,即转子与定子之间的作用力也就小.当负序旋转磁场对着转子纵轴附近时,因其气隙小则其磁阻也小,故磁力线就多,即转子与定子之间的作用力也就大.这样,负序旋转磁场与转子之间的作用力时小时大,就形成一个以2倍于工频的交变脉动力矩,这个脉动力矩作用在转子轴和定子机座上,就使发电机产生100 Hz的振动,随之还会伴生出强烈的噪音,长时间的振动会造成发电机的金属材料出现疲劳损伤和机械损伤.对转子采用凸极式结构的水轮发电机来说,因其抗振能力差而其所遭受的振动力矩又很大,所以振动容易使其产生断裂、器件松动等而造成对发电机的破坏.
在发电机运行过程中若有负序电流存在时,必将会引起发电机电流和电压的波形发生畸变,这样就会使电能质量大为下降.再就是由于负序电流所引起的附加损耗剧增,将使发电机的运行效率大为下降.另外,当发电机处在不对称工况运行时,若发电机转子绕组回路发生断线故障,则可能引起在励磁回路中出现很高的电位,对发电机的安全造成威胁.
3 防止措施
防止发电机长时间出现负序电流,是确保发电机安全运行的又一重要措施,我们必须给予足够的重视.要防止发电机在运行中长时间出现负序电流,则必须防止其长时间处在不对称工况下运行.所以,首先要做好的是电站所承载的负荷如何均匀分配的问题,即必须认真做好自供区的负荷三相平衡分配,尽量避免不平衡度超出允许值的现象发生.
架设输电线路时,三相导线必须采用同材质、同截面积的导线(对380/220 V供电系统,最好4根导线都采用同材质、同截面积的导线).线路中导线的接头,应设法均匀分布在三相导线之中,不应全部集中在某一相上.认真做好线路器材(如绝缘子等)的选购、检测及安装工作,提高线路的架设质量,确保线路具有必须具备的绝缘水平.
加强对线路的运行管理,杜绝、防止、减少线路在运行中发生单相接地、两相短路事故.一旦发生以上不对称短路事故,能够尽早发现及时排除.
对经变压器升压后输出电能的农村水电站,尽量少用跌落式熔断器作为其投(切)操作之用,应改用高压断路器控制发电机—变压器的投(切),以提高三相同步投(切)的程度.
当然,要求农村水电站发电机处在完全对称平衡的工况下运行也是难以实现的,但满足如下几条原则是可以做到的:发电机转子的任何一点温度不得超过允许值;机械振动不得超过允许值;任何一相定子电流均不得超过其额定值.为此,有关规程明文作出规定:水轮发电机三相电流的不平衡程度必须满足;三相电流之差,最大不得超过其额定值的20%
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