直流偏磁对发电机有什么影响?
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发布时间：2022-07-15 03:16
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时间：2023-11-18 08:20
电力系统中发电机升压变压器常采用△/Y联接方式，这种联接虽然能够阻止偏磁电流在发电机定子绕组中的流通，但偏磁电流却间接的对发电机构成了潜在的威胁，即变压器直流偏磁产生的各次正序和负序谐波电流会进入发电机定子绕组中，从而导致电机转子局部过热，诱发机组机械振动。以GIC引起变压器谐波造成的发电机发热监测与分析结果为例，说明直流偏磁对发电机的影响机理。
在单元接线的发变组中，当电气参数三相对称，3及3的倍数次谐波分量会在升压变的△联结绕组中形成环流，不会进入发电机侧。GIC流过绕组造成变压器励磁电流中出现大量偶次谐波，如2次、4次、6次等，其中2次、8次谐波上为负序电流分量，4次、10次上为正序电流分量，其中2次谐波与负序电流分量含量相对较高。随着GIC增大，奇次谐波分量也会相应增加，其中包括负序基波和5次、7次等谐波分量。当流过三相绕组中的GIC不平衡时，铁芯饱和就会呈现不同特性，系统中还会产生非常规谐波，这些非常规谐波分量对发电机转子产生的额外发热影响很小，多数情况下可忽略。
负序谐波分量产生的磁场在气隙中以该分量频率对应的角速度，沿转子运动的反方向旋转，在转子绕组回路中感应出该频率加一次的谐波电流。正序分量产生的磁场在气隙中以该分量频率对应的角速度与转子同向旋转，在转子回路中感应出该频率减一次的谐波电流。流过发电机定子的正序基波电流在气隙中产生与转子同步的旋转磁场，根据该电流与发电机端电压的相位不同而产生不同性质的电枢反应，增加或减少发电机气隙中的合成磁场，相对于电机转子来讲相当于叠加了一个直流分量。对电枢反应问题，可以通过控制励磁系统调节电机的转子电流，使其在正常值范围内运行不会造成过热。而其它各次谐波磁链在转子的阻尼条及转子铁芯中均会感应出导致这些部件发热的谐波电流。
发电机中流过的负序电流产生的负序磁场同样以同步转速旋转，但与正序旋转磁场的旋转方向相反。因而，以同步转速旋转的发电机转子将以2倍同步转速切割该负序磁场，在励磁绕组、阻尼绕组以及转子本体中感应出2倍工频的负序电流。负序电流在发电机中将引起附加热损耗，这些附加热损耗和影响主要表现在：
（1）转子励磁绕组中数倍工频的负序电流将产生附加的铜损耗，引起发热。
（2）转子本体中的负序涡流将产生涡流损耗，使得转子本体温度升高。
（3）转子表面感应的负序电流，经槽楔及转子两端的护环形成回路。由于铝槽楔和气隙间存在接触电阻，尤其是护环与转子本体的搭接处接触电阻较大，所以发热将较为严重。
（4）由于集肤效应的影响，转子表面的电流密度和涡流损耗较大，造成转子表面表层过热，并导致转子本体散热条件恶化、绝缘烧焦等故障。
可见，负序电流可能引起发电机，尤其是转子的局部过热，进而损坏发电机的转子。然而，在发电机的单机容量不断增大的进程中，由于发电机的热容量与机械强度与发电机容量的提高的发展不同步，当系统中流经直流电流后，变压器直流偏磁在发电机定子绕组中产生的负序电流、谐波电流所造成的额外温升对发电机的危害程度也将增大。
将某一电网单元接线方式的发电机组机组和与其相连的升压变电站作为研究对象，变压器的低压侧与发电机定子出线相连，变压器高压侧中性点接地，具体接线方式参见图1.
图1 单元发变组谐波流动示意图
当变压器中性点流有直流电流时，产生的谐波会入发电机定子绕组。将变压器中性点直流限值为5A，对变压器中性点GIC进行监测，再对与其相连的一台214MVA单元发电机转子电流进行计算，并对二者关系进行分析对比，图2给出转子电流和中性点直流电流的关系。图3给出图2中的数据随时间的变化情况，图3可以看出，二者随时间变化的趋势一致，显示二者的强相关性。
图2 1992年5月10日磁暴期间计算所得发电机转子电流与变压器中性点电流关系
图3 1992年5月10日磁暴期间发电机转子电流与GIC随时间变化的情况
对转子电流进行傅里叶分解，得到其中的负序2次谐波和4次正序谐波电流，并与中性点直流对比，结果见图3，可见，二者严格呈线性正相关。
图4 发电机定子特定谐波电流与变压器中性点直流电流关系曲线
图4所示为计算得到的负序谐波2次分量和正序4次谐波分量变化的情况，可见二者随中性点直流的增加而增加，几近线性递增关系，不过，并不是所有谐波分量都是随着偏磁电流的增加而增加的。当中性点直流电流小于5A时，谐波处于正常稳定运行水平；随着直流电流的增加，低次谐波基本上呈线性增长，高次谐波的增加可能出现非线性。当变压器铁芯饱和后，励磁电流尖峰没有显著攀升，高次谐波幅值开始有所减小。随着励磁电流继续畸变，高次谐波开始继续增加。
进一步表明，负序2次谐波与正序4次谐波作用在转子上感应出3次谐波是造成发热的主要因素，其它高次谐波对发热也有贡献但比较小。直流电流造成的谐波在转子上感应出的谐波电流有效值不应该超过对于负序不平衡电流的有关规定。
