汽轮发电机组轴系扭振及其抑制措施

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1、汽轮发电机组轴系扭振及其抑制措施【摘要】随着超高压大电网和大功率机组的投产运行，汽轮机单机容量不断增大，功率密度相应增加，轴系长度相对加长，轴系截面积相对下降，导致在发生机电扰动时，汽轮机驱动转矩与发电机电磁制动转矩之间失去平衡，汽轮发电机组轴系扭振问题越来越严重。本文在对汽轮发电机组轴系扭振的基本形式进行具体分析的基础上，剖析轴系扭振的危害性，探讨对汽轮发电机组轴系扭振的抑制措施。【关键词】汽轮发电机组；轴系扭振；分析；抑制措施汽轮发电机组轴系扭振是指因发电机电磁力矩和机械力矩存在周期性差异产生的轴系扭

2、转振动，这是大型汽轮发电机组运行中经常遇到的问题。汽轮发电机组轴系扭振不仅会对大轴寿命产生影响，严重时还可能在轴系的某些截面或联轴节处引发过大的交变扭应力，造成轴系的疲劳累积性或冲击性损坏。分析汽轮发电机组轴系扭振的基本形式及危害，探讨相应的抑制措施是保证机组安全运行的重要基础。1汽轮发电机组轴系扭振的基本形式引起汽轮发电机组轴系扭振的原因来自电气扰动与机械扰动两方面，不同类型的机电系统扰动对机组轴系扭振有着不同的影响，所形成的轴系扭振可以分为以下三种基本形式。1.1次同步机电共振次同步共振是电网在低于系

3、统同步的一个或几个频率下与汽轮发电机进行能量交换时汽轮发电机机电系统的一种自激振荡状态。如果以电网的电气振荡频率为fl,电网的同步频率为f2,轴系的某阶扭振固有频率为f3；当f3=f2-fl时，电气系统就会呈现负阻尼振荡状态，轴系频率f3所对应的主振型振幅将被逐渐放大，轻则损伤转子，重则造成毁机的恶性事故。因这种负阻尼振荡频率低于系统的同步频率故称次同步共振。1.2超同步机电共振在某些状态下，电网三相负荷会出现各种不平衡或不对称短路等情况，导致发电机定子绕组中不仅存在正序电流，还出现负序电流。而负序电流在

4、发电机气隙中将产生频率为fm的负序旋转磁场。由于这一负序旋转磁场与转子旋转的正序旋转磁场反相，两旋转磁场之间存在180°的相位差，且相对频率为fm-(fm)=2fm,结果就会有频率为2fm的交变扭矩作用到机组轴系上。如果该频率与机组轴系的某一阶固有频率相等或接近，就会引起起机电共振。由于这种共振频率大于同步周波频率(一般为周波频率的二倍)，因此称这种共振为超同步共振。1.3振荡扭矩冲击性机电共振发电厂母线通过输电线同汽轮发电机组相连，当负载电网出现瞬时性对称与不对称短路、高速重合闸、误并网、甩负荷、瞬间快

5、控汽门及线路开关切合操作等突发性机电扰动时，将有可能使紧靠故障的机组受到短时间冲击性扭矩作用，形成短时间冲击性轴系扭振。尽管这种扭振时间较短，但在故障切除以后电网电压突然恢复时，还会产生一个新的扭振，而这两个扭振相互叠加时，就有可能产生使轴系无法接受的交变应力而造成轴系破坏。2汽轮发电机组轴系扭振的危害由于我们客观上无法避免存在的各种机电扰动和非正常运行方式，因此，各种类型的轴系扭振必然无时无刻不在威胁着汽轮发电机机组的使用寿命和安全运行。而全面地认识和分析各种类型的轴系扭振对机组疲劳寿命及安全性的影响（

6、见表1）,是有针对性地加以抑制的关键。3对汽轮发电机组轴系扭振的抑制措施3.1抑制次同步机电共振的措施在现阶段，要抑制汽轮发电机组的次同步机电共振，我们主要可以采取以下四方面的措施：①加设滤波器与阻尼装置。包括线路滤波器、动态滤波器、静态阻塞滤波器和旁路阻尼滤波器。通过滤波和阻尼作用，有选择性地对同步频率呈现大阻抗，削弱发电机同步效应。②对汽轮发电机采用控制与调节手段。包括借助发电机励磁控制与调节，调节发电机的励磁电压、电流，以增加对次同步共振的阻尼。设置动态稳定器，在系统中发生次同步共振时，通过可控硅控

7、制的并联电抗器构成一个检回路，使流经电抗器的电流抵消次同步振荡电流。③合理控制系统开关切合操作、机组跳闸，加装扭振继电器、次同步电流继电器、扭振在线监测装置等保护和监测装置，避免因感应发电机同步效应和机电扭矩相互作用。④改进汽轮发电机组与电力系统结构，调整发电机组轴系扭振特性频率，加装发电机转子磁极极面阻尼绕组，串接发电机回路电抗。3.2抑制超同步机电共振的措施强迫振动是超同步共振的特点，抑制超同步机电共振主要有减小激振扭矩和轴系调频两种途径。①设法保持输电线路中三相平衡，减小负序电流，消除激振扭矩。②在

8、设计机组过程中考虑轴系调频问题，使汽轮发电机组轴系各阶固有频率与系统工频和倍频之差尽可能大些，防止或减小超同步共振。3.3抑制振荡扭矩冲击性机电共振的措施振荡扭矩冲击性机电共振是由负载网络引发的，抑制的思路主要包括：①规范线路开关操作，控制操作时电压和电流的最大变化量。②控制发电机出线端二相短路。③严格禁止非同期并网，特别是120°的误并网。④合理限制甩负荷的大小与甩负荷的次数。⑤采用继电保护装置避免电网短路与故障切除时电压的