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汽輪發電機組的軸系扭振產生原因及防治措施!

發布時間:2019-07-22

 

電力系統的某些故障和運行方式,往往導致大型汽輪發電機組的軸系扭轉振動,以致造成軸系某些部件或聯軸器的疲勞損壞。


軸系扭振是指組成軸系的多個轉子,如汽輪機的高、中、低壓轉子,發電機、勵磁機轉子等之間產生的相對扭轉振動。隨著汽輪發電機組單機容量增大,軸系的功率密度亦相對增大,以及軸系長度的加長和截面積相對下降,整個軸系成為一個兩端自由的彈性系統,并存在著各種不同振型的固有的軸系扭轉振動頻率。同時隨著大電網遠距離輸電使系統結構和輸電技術愈趨復雜。由于這兩方面的原因,電力系統因故障或運行方式的改變所引起的電氣系統與軸系機械系統扭振頻率的耦合作用,將會導致大型汽輪發電機組的軸系扭轉振動,嚴重威脅機組的安全運行。


一、汽輪機組產生軸系扭振的原因


1、電氣或機械擾動使機組輸入與輸出功率(轉矩)失去平衡,或者出現電氣諧振與軸系機械固有扭振頻率相互重合而導致機電共振;


2、是大機組軸系自身所具有的扭振系統的特性不能滿足電網運行的要求。因此,無論產生的原因如何,從性質上又可將軸系扭振分為:短時間沖擊性扭振和長時間機電耦合共振性扭振等兩種情況。


二、汽輪機組產生軸系扭振的影響


從原則上講,電力系統出現的各種較嚴重的電氣擾動和切合操作都會引起大型汽輪發電機組軸系扭振,從而產生交變應力并導致軸系疲勞或損壞,只是其影響程度隨運行條件、電氣擾動和切合操作方式、頻率(次數)等不同而異。其中影響較大的可歸納為以下四個方面?!?


1、電力系統故障與切合操作對軸系扭振的影響


通常的線路開關切合操作,特別是功率的突變和頻繁的變化;手動、自動和非同期并網;輸出線路上各種類型的短路和重合閘等都會激發軸系的扭振并造成疲勞損傷?!?


2、發電廠近距離短路和切除對軸系扭振的影響


發電廠近距離(包括發電機端)二相或三相短路并切除以及不同相位的并網,都會導致很高的軸系扭轉機械應力。例如在發電機發生三相短路時,短路處電壓下降接近于零,于是在短路持續時間內,一方面與短路前有功負荷對應的同步電磁轉矩接近于零,同時發電機因短路并以振蕩形式出現的暫態電磁轉距將激發起整個軸系的扭轉振動?!?


3、電力系統次同步振蕩對軸系扭振的影響


在電力系統高壓遠距離輸電線路上,當采用串聯補償電容用以提高輸電能力時,該電容器同被補償的輸電線路的電感,將構成L-C回路(略去回路電阻)并產生諧振。當電網頻率與上述的諧振頻率的差值與軸系某一機械固有扭振頻率相同或接近時,則上述的電氣諧振與機械扭振合拍并相互激勵,從而給機組軸系的安全運行構成嚴重的威脅。由于電氣諧振頻率低于電網頻率,通常稱為次同步振蕩?!?


4、電力系統負序電流對軸系扭振的影響


發電機定子繞組中的負序電流可由三相負荷不平衡、各種不對稱短路、斷線故障引起。負序電流相當于一個外力源,因此由負序電流產生的軸系扭振有別于上述的自激扭振,并稱之為強迫扭振。負序電流在電機中產生的旋轉磁場與轉子的勵磁磁場相互作用,并產生交變轉矩作用在軸系上,如果這一交變轉矩的頻率同機組軸系某一個固有的扭振頻率重合,就會激發起軸系的扭振。


三、預防和抑制軸系扭振的措施


可以從設計制造、運行方式,機—電配合、在線監測等幾個方面針對不同的情況采取相應的措施?!?


1、設計制造


是指包括汽輪發電機軸系扭振頻率、繞組的設計、選材、工藝和機械加工以及輸電系統的線路的結構方式、繼電?;?、控制手段以及串聯電容補償方式的設計與選擇等。


例如:軸系的結構尺寸和剛度要考慮避免機—電諧振合拍,使軸系固有的扭振頻率避開對應出現的諧振頻率,一般倍頻要求避開±7HZ,工頻要求避開±15HZ。電網的規劃設計如需采用串聯電容補償方式,在考慮滿足電力系統穩定的同時,還要考慮避開可能出現的激發軸系扭振的諧振頻率或采取相應的抑制措施?!?


2、運行方式


是指在滿足輸電的條件下,盡量避免采用前述的可能導致高軸系扭振應力的運行方式。例如,盡量避免使機組輸出的有功功率發生±0.5(標么值)突變量的正常線路的切合操作(包括甩負荷)?!?


3、在線監測


是利用機組扭振在線監測裝置準確測量系統沖擊所造成的軸系扭振的損傷國外的一些大型汽輪發電機組,根據系統的需要所配備的扭振在線監測裝置(簡稱TSA,于1977年在歐洲投入使用),是防止機組出現過大扭應力和疲勞損傷的有效手段。


對于運行人員來說,軸系扭振不象機組的橫向機械振動那樣易于感受和發現,但應注意遇到電力系統大的擾動如發電機短路、機組甩負荷等可能造成的軸系扭振損壞。


經驗證明,在軸系扭振造成軸系某些部件損壞時,都伴隨著機組振動的變化。嚴格監視機組的振動變化,尤其是機組受到電力系統重大擾動時引起的振動變化,在一定程度上可以監督軸系的扭振造成的軸系損壞。

 
 
 

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