杨雪;王西田;孙慧平
【摘 要】结合某电厂600 MW汽轮发电机组在不同运行方式和不同故障情况下,在电厂输电线路起始端发生单相永久性故障、自动重合闸不成功时会引起比较明显的扭振疲劳寿命损耗问题,利用电力系统仿真软件PSCAD/EMTDC中的多步运行模块实现自动多次重复仿真,对大量案例进行了计算分析.结果表明,重合闸时刻和重合闸不成功后故障线路跳闸时刻对机组轴系扭振疲劳寿命损耗的影响是非线性的;故障地点对单相重合闸引起的最大扭振疲劳寿命损耗也有一定的影响.
【期刊名称】《发电设备》
解放军理工大学学报【年(卷),期】2011(025)004
【总页数】6页(P221-226)
【关键词】汽轮发电机组;扭振;自动重合闸;疲劳寿命损耗
【作 者】杨雪;王西田;孙慧平
【作者单位】上海交通大学,电气工程系电力传输与功率变换控制教育部重点实验室,上海,200240;上海交通大学,电气工程系电力传输与功率变换控制教育部重点实验室,上海,200240;上海交通大学,电气工程系电力传输与功率变换控制教育部重点实验室,上海,200240
【正文语种】中 文恢复精力
【中图分类】TM611
随着电力工业的发展,汽轮发电机组单机容量大型化、轴系柔性化及互联电网规模大型化和结构复杂化的趋势,使得大机组和大电网间的扭振相互作用问题越来越突出。自20世纪70年代以来,国内外曾发生过多起汽轮发电机组轴系扭振损坏的重大事故,损失巨大[1]。由电网大扰动引起的冲击性扭振是汽轮发电机组轴系扭振破坏的重要原因之一[2-3]。文献[4-5]分析了电网大扰动对汽轮发电机组轴系扭振的影响,主要以轴系最大扭应力为分析的参数;但是仅考虑轴系最大扭应力还不够全面,还应以疲劳寿命损耗作为大扰动下的轴系扭振评估指标。
20世纪70年代起,KWU公司开展了关于电力系统电磁暂态过程对轴系影响的研究,结果表明电力系统中一些故障以及操作等大扰动会对轴系产生严重的暂态扭矩冲击,当振荡扭矩叠加时,引起轴系上过高的扭应力,会造成轴系直接损坏或扭振疲劳寿命损耗,并给出了多种型号汽轮发电机组不同扰动下轴系扭振疲劳寿命损耗的范围、相对的严重程度以及典型大扰动对轴系影响的允许标准[6]。
在电力系统中,输电线路(特别是架空线路)比较容易发生短路故障,通常采用自动重合闸装置来提高输电线路的供电可靠性。在各种类型的短路故障中,单相接地故障发生的几率较大,一般采用的是单相重合闸方式,即线路上发生单相接地故障时,保护动作只跳开故障相断路器,然后进行单相重合闸。如果故障是瞬时性的(较短时间内自动消失),则重合闸后便恢复三相供电;如果故障是永久性的(持续时间很长),则重合闸后再保护动作跳开三相断路器,切除故障线路[7]。从电力系统安全运行的角度,要求单相故障及伴随的单相自动重合闸引起的机组轴系扭振疲劳寿命损耗很小。但是单相自动重合闸过程会对机组轴系形成多次暂态扭矩冲击,可能导致较大的暂态扭矩峰值和较大的扭振疲劳寿命损耗,文献[8]表明单相自动重合闸过程的轴系暂态扭矩峰值甚至可能超过机端三相短路的轴系暂态扭矩峰值。文献[9-13]已经计算分析了重合闸对机组轴系扭振疲劳寿命损耗的影响,但是受当时计算条件的限制,计算分析时
进行的案例数目有限,得到的结论可能有一定的局限性。
在对某实际串补输电系统600 MW汽轮发电机组在不同运行方式、不同故障类型和故障地点对应的机组轴系扭振疲劳寿命损耗进行大量计算的过程中发现,在电厂输电线路起始端发生单相永久性故障、自动重合闸不成功这一扰动过程引起的轴系扭振疲劳寿命损耗是最大的,可达百分之几,这是实际运行所不能接受的。为此,本文以该系统为研究对象,分析单相自动重合闸引起的扭振疲劳寿命损耗偏大的原因,利用电力系统仿真软件PSCAD/EMTDC中的多步运行模块实现自动多次重复仿真[14],对大量案例进行计算分析,详细考察单相重合闸对机组轴系扭振疲劳寿命损耗的影响规律。
1 研究系统及研究手段
研究系统见图1。某电厂通过四回串补输电线路远距离向大电网送出电能(受电端分两个落点)。该电厂有8台600 MW机组,其中,1～4号机组为一种型号,5～8号机组为另一种型号。本文主要采用PSCAD/EM TDC软件进行仿真计算,鉴于PSCAD/EMTDC本身只能采用几个集中质量块的简单轴系模型进行仿真计算,因而8台机组都采用4个集中质量块的轴系模型,4个集中质量块分别代表高中压转子(HIP)、两个低压转子(LPA和LPB)以及发电机转子(GEN)。
图1 研究系统电厂及串补输电线路示意图
超声波测距仪的设计图2给出了根据设计参数计算的次同步扭振模态频率和振型曲线。已有研究表明,在多机运行方式下该串补输电系统电气谐振补频率(工频与电气谐振频率之差)接近轴系扭振模态2的自然频率,并且轴系扭振模态2振型曲线在发电机转子质量块位置的幅值相对较大,因此发生机网扭振相互作用的风险较大(主要是模态2稳定问题),为此电厂专门配置了抑制次同步谐振的静止阻塞滤波器装置。
图2 机组轴系次同步扭振模态频率和振型曲线
本文的研究思路是:先采用PSCAD/EMTDC对故障扰动过程进行仿真计算,输出并保存轴系危险截面的扭矩响应数据,再采用自主开发的扭振疲劳寿命损耗程序计算分析轴系危险截面的扭振疲劳寿命损耗。
新型太阳能电池轴系危险截面在扭振模态振型节点附近,并且应力集中效应比较严重的位置,根据经验一般在机组各转子的轴颈及联轴器附近。考虑到本文研究对机组轴系采用4个集中质量块模拟,仿真计算只能得到4个转子之间传递的集中扭矩,分别比较两个转子之间的轴颈及联轴器的S-N
赵安近况小提琴独奏夏夜曲线(纵坐标为振荡扭矩幅值、横坐标为可循环次数),确定出相对严重的3个危险截面,分别为:高中压转子后轴颈、B低压转子前轴颈和发电机联轴器套装主轴。
2 短路故障下机组轴系扭振疲劳寿命损耗计算分析
对在不同运行方式下、不同故障类型和故障地点的电气扰动引起的机组轴系扭振疲劳寿命损耗进行了计算分析,故障时序设置如下:故障在10 s时刻发生,之后90 ms线路故障相跳闸,1 s后故障相线路重合闸,如果此时故障已经消除(瞬时性故障),则线路恢复正常运行,如果此时故障还未消除(永久性故障),则110 ms后故障线路三相跳开。
大量计算结果表明,在电厂6台机组均为半载(代表机组最低稳燃出力)的运行条件下,电厂输电线路起始端发生单相永久性故障、重合闸不成功这一扰动过程引起的轴系扭振疲劳寿命损耗相对最大。表1列出了同一运行方式下、同一地点发生单相重合闸不成功、单相重合闸成功以及三相瞬时性故障引起的最大扭振疲劳寿命损耗的计算结果(对应最危险截面均为发电机联轴器套装主轴)。由表1可知,单相重合闸不成功引起的扭振疲劳寿命损耗可达8.3%,甚至比三相故障引起的扭振疲劳寿命损耗(1.7%)大得多,而单相重合闸成功引起的扭振疲劳寿命损耗(0.001 4%)很小,几乎可以忽略。
表1 发电机近处三种电气扰动下_____的机组轴系扭振疲劳寿命损耗?
为了分析确认单相重合闸不成功引起较大扭振疲劳寿命损耗的原因,对表1三种电气扰动下1号机组的电磁转矩Te、低压转子和发电机转子之间传递的扭矩TBG的响应曲线(分别见图3～图5)进行比较分析。
图3 单相重合闸不成功扰动下1号机组的转矩响应曲线
图4 单相重合闸成功扰动下1号机组的转矩响应曲线
图5 三相瞬时性故障扰动下1号机组的转矩响应曲线
由图3可见,单相重合闸不成功扰动过程有两次很明显的暂态扭矩冲击。比较图3和图4可知,单相重合闸不成功和单相重合闸成功,在故障初始阶段的一次较强暂态扭矩冲击是相同的,之后的差别是重合闸不成功后又出现一次更强的暂态扭矩冲击,而重合闸成功后不再出现明显的暂态扭矩冲击;重合闸成功对应的扭振疲劳寿命损耗要远小于重合闸不成功对应的扭振疲劳寿命损耗,显然重合闸不成功过程第二次出现的较强暂态扭矩冲击对扭振疲劳寿命损耗的影响是主要的。比较图3和图5可知,单相重合闸不成功过程第二次出现的冲击扭矩峰值与三
相故障初始阶段冲击扭矩峰值是接近的,并且单相重合闸不成功过程第二次冲击扭矩幅值衰减较为缓慢,较大的扭振峰值个数多一些,因此单相重合闸不成功比三相故障引起的扭振疲劳寿命损耗还要大。
3 单相重合闸时序对汽轮发电机组轴系扭振疲劳寿命损耗的影响
根据前述分析,重合闸不成功后出现的第二次较强暂态扭矩冲击对扭振疲劳寿命损耗起主导作用,这一时间段内有故障相重合闸以及重合闸不成功后故障线路三相跳闸这两重扰动冲击,第二次出现较强暂态扭矩冲击的原因就是这两重冲击作用叠加在一起,出现明显的冲击增强效应。显然,这两重扰动冲击发生的时机,与冲击增强效应密切相关,也与扭振疲劳寿命损耗密切相关。需要对不同的重合闸时刻以及故障线路三相跳闸时刻进行大量的案例分析,才能得出更细、更准确的规律。
仿真软件PSCAD/EM TDC中的多步运行模块(Multiple Run Component)为上述大量案例的仿真计算分析提供了一种技术手段。多步运行模块可以在仿真过程中使控制参数按设置的规律变化,控制参数每变化一次,自动执行一遍仿真计算。自动保存的仿真结果为一批数据文件,整个仿真过程无需用户干预,这一功能使得大量案例的仿真计算成为可能。
3.1 重合闸时刻对机组轴系扭振疲劳寿命损耗的影响
考察单相重合闸过程中重合闸时刻对机组轴系扭振疲劳寿命损耗的影响,用多步运行模块把重合闸时间(故障初期故障相跳开时刻到重合闸时刻的时间间隔)设置成从1.0 s变化到30.0 s,步长为1.0 s,共30个案例。故障发生时刻、故障相跳闸与故障发生时刻的时间间隔以及重合闸不成功后故障线路三相跳闸与重合闸的时间间隔都不变。经过自动多次仿真计算,比较对应的最大扭振疲劳寿命损耗。图6为重合闸时间变化与轴系最大扭振疲劳寿命损耗的关系曲线。由图6可见,随着重合闸时间的延后,最大扭振疲劳寿命损耗总体上是逐步减小的。
若重合闸时间变化步长为0.5 s,其他设置不变,经过计算得到重合闸时间变化与轴系最大扭振疲劳寿命损耗的关系曲线见图7。由图7可见,最大扭振疲劳寿命损耗交替地出现较大值和较小值,而图6重合闸时间变化步长较大,碰巧把出现较小值的情况漏掉了,若计算采用的重合闸时间步长为1 s,正好对应扭振疲劳寿命损耗出现较大值。随着重合闸时间的延后,最大扭振疲劳寿命损耗较大值总体上降低,重合闸时间在20 s以内扭振疲劳寿命损耗较大值基本上都大于1.0%,而重合闸时间在30 s以外扭振疲劳寿命损耗就比较低了。
图6 重合闸时间变化(步长1.0 s)与最大扭振疲劳寿命损耗的关系曲线
图7 重合闸时间变化(步长0.5 s)与最大扭振疲劳寿命损耗的关系曲线
为了进一步探索其规律,将重合闸时间为0.9～1.8 s以及30.0～30.1 s,以5 ms为步长,分成202个案例,结果见图8(a)～8(d)。由图8可见,在1.8 s以内,两个明显较大的扭振疲劳寿命损耗的时间间隔与模态2的周期(0.04 s左右)接近。重合闸时间在30 s以外时,扭振疲劳寿命损耗几乎趋于0,这是因为较长时间后前面冲击扭矩引起的模态振荡基本衰减掉了,也就不会出现冲击增强效应。
图8 重合闸时间变化(步长5 ms)与最大扭振疲劳寿命损耗的关系曲线
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