陈涛

(西北电力建设调试施工研究所,陕西西安 710032)

印度K项目发电机组次同步振荡分析

陈涛

(西北电力建设调试施工研究所,陕西西安 710032)

印度K项目发电机组在试运中，轴系振动在并网后迅速增大，机组多次跳闸。检查后发现汽轮机转子产生了严重裂纹。本文简单介绍了事件的发生过程，及现场分析、处理过程。本文依据发电机电流及机组振动频谱分析，印证了电网与机组次同步振荡对轴系扭振的影响。对国外项目600MW及以上大容量机组避免同类问题，具有较高的借鉴意义。

电网 次同步振荡 轴系扭振 转子裂纹 频谱分析

1 次同步振荡概念

交流输电系统中常常采用串联电容补偿是提高线路输送能力、控制并行线路之间的功率分配和增强电力系统暂态稳定性的一种十分经济的方法。但是，串联电容补偿可能会引起电力系统的次同步谐振，进而造成汽轮发电机组的轴系损坏。次同步谐振产生的原因和造成的影响可以从三个不同的侧面来加以描述，即异步发电机效应、机电扭振互作用和暂态力矩放大作用。对次同步谐振问题，主要关心的是由扭转应力而造成的轴系损坏。轴系损坏可以由长时间的低幅值扭振积累所致，也可由短时间的高幅值扭振所致。

国内此问题最早出现在2008年，内蒙古华能伊敏电厂600MW发电机组，因次同步振荡造成的轴系损坏。国内因此加强了对次同步振荡的研究，2010年国家电网成立课题组“电网与机组次同步振荡和发电机组轴系扭振问题研究”。

2 印度K项目次同步振荡概述

印度K工程汽轮机为东方汽轮机厂生产的亚临界参数、中间一次再热、三缸四排汽凝汽式N600-16.7/538/538型汽轮机，发电机为东方电机有限公司生产的QFSN-600-22G型的汽轮发电机，采用水、氢、氢的冷却方式。

2013年5月18日机组首次并网，机组一切参数正常。2013年6月10日机组第3次并网，并网后因发电机轴承振动快速持续升高，导致机组跳闸停机。此后多次并网，均出现并网后机组振动大跳闸停机。机组振动曲线显示，并网前汽机3000rpm定速情况下汽机振动良好(其中8Y在70um，其余都在40um左右)。而机组在并网后，振动迅速增大至250um，跳闸停机。

2013年6月25日下午印度时间18：00，现场打开低压缸及发电机轴承箱盖后，发现汽轮机低压转子产生严重裂纹。转子裂纹呈斜裂纹形式，根部有黑色灼烧痕迹。

2013年7月16日在山东济南召开了此次转子裂纹问题的专题会议，特别邀请了国内2008年参与处理内蒙古华能伊敏电厂转子断裂的各位专家。在会上经过专家组讨论分析，初步判断是转子高频剧烈扭振造成转子损坏。而依据对发电机电流进行频谱分析，并与机组轴系振动频谱进行对比。印证了电网与机组次同步振荡进而引发的机组轴系扭振。

表1 东汽厂提供：轴系扭振频率---(满足避开45-55和93-108Hz的要求)

图1 并网前发电机8瓦振动频谱

3 次同步振荡产生的原理

汽轮发电机组与交流大电网之间联系的强弱(可以用联络线的阻抗来表达)起着非常重要的作用。常规的电力负荷具有随频率而变化的特性，它们对汽轮发电机组的次同步振荡起阻尼作用。但是，当汽轮发电机组与交流大电网弱联系时，这个阻尼基本上就不起作用。理论分析和实际经验表明，SSO基本上只涉及大容量汽轮发电机组，这是由大容量汽轮发电机组的轴系结构特点造成的。

在印度KMPCL所在当地电网系统内Raipur变电站电气一次系统接线图中发现，KMPCL至Raipur 400kV线路末端，Raipur站内安装有串补电容FSC(65.5MVAR)和并联电抗(50MVAR)。这种网架结构，在KMPCL电厂没有投用前，是可以满足电网运行的。而一旦上述两厂上网运行，就改变了现有的网架结构，发电机组与系统之间(主要就是末端的串补电容)就可能会产生次同步振荡。

分析认为只有在一系列不利因素同时作用时，才可能产生次同步振荡不稳定。这些不利因素包括：(1)汽轮发电机组与输电整流站距离很近；(2)该汽轮发电机组与交流大电网联系薄弱；(3)该汽轮发电机组的额定功率与输电输送的额定功率在同一个数量级上。

而印度K项目则具备了上述所有电网与机组产生次同步振荡的条件和环境。

当高压远距离输电采用串联电容补偿时，电容量C与线路的电感量L组成一个固有谐振频率F=1/[2π*根号下(LC)]

此频率一般低于50Hz。发电机定子也出现频率为的三相自激电流，在气隙中产生频率为 的旋转磁场。此旋转磁场的转速，低于主磁场的同步转速。气隙中两个磁场同时存在对轴系产生一个交变扭矩，其频率为：ft=f-fs，式中ft——交变扭矩的频率；f——电网频率；fs——串联电容补偿固有频率。

如果轴系的自然扭振频率fv正好等于交变扭矩频率ft，即

图2 并网后发电机8瓦振动频谱

fv=ft=f-fs或fv+fs=f

此时，发电机组轴系的自然扭振频率fv与串联补偿产生的电磁谐振频率fs相加恰好等于电网频率f0，相互“激励”，形成“机一电谐振”。因为fs低于电网频率，所以叫“次同步谐振”。

4 发电机电流及机组振动频谱分析

7月16日在山东济南召开了此次转子裂纹问题的专题会议，邀请了国内专家进行了讨论，初步形成了一致意见。分析认为，现场电磁力矩波动频率接近轴系2阶固有频率，引起机组强烈共振。如表1所示。

2013年7月16日16：40线路零序电压突变量启动录波，电压曲线故障录波图：零序电压达1.98V，电压包含高次谐波，五次谐波0.56V，三次谐波0.14V。电压波形畸变近似三角波，电流波形畸变，并网前后线路电流、而对发电机输出电流进行频谱分析后，出现明显的耦合电流分量(24.69Hz和76.08Hz)。则电磁力矩波动频率为26.03Hz与轴系2阶固有频率26.3Hz极度接近，满足ft=f-fs。此时，发电机组轴系的自然扭振频率fv与串联补偿产生的电磁谐振频率fs相加恰好等于电网频率f0，相互“激励”，形成“机一电谐振”。引起机组强烈共振。

而由机组轴系振动频谱分析，又直接验证了这一分析。机组并网前振动频谱主要以工频50Hz为主(如图1)，而机组并网之后产生了25Hz分量和75Hz分量，25Hz幅值占工频30%。(如图2)

综上所述，机组在并网时发生了较强的机电耦合共振，引起强烈的轴系二阶扭振和横向振动，振动源自电网侧扰动。

5 应对措施及结论

依据专家组建议，现场应对轴系扭振从以下几个方面采取了应对措施：(1)进一步收集电网数据，要求印度电网部门提供SSR数据分析及报告；(2)机组安装轴系扭振测量系统，实时监测机组机电耦合扭振，并确认保护定值；(3)分析和确定减小电网和机组SSR具体措施和手段，如附加励磁阻尼控制，可控串补等。

2013年7月印度K项目#3机组在更换了新转子后，并联系印度当地电网，退出了Raipur变电站内安装的串补电容FSC的运行。8月3日机组再次并网发电，机组所有运行参数正常。这进一步印证了此次K项目#3机组轴系损坏，是由于串补电容FSC的运行，引起电网与机组次同步振荡，进而引发的机组轴系扭振。

印度K项目在机组安装了轴系扭振测量系统后，运行中实时监测轴系扭振参数，在出现异常时能够及时报警及时处理异常情况。

如上所述，对于一些国外项目当地电网容量较小。在建设600MW及以上容量大型机组过程中，应该高度重视电网设计问题。特别在线路设计有串补电容时，应严格核算电网与机组产生次同步振荡的可能性，避免对发电机组的损坏。

[1]1999-06-24徐政,罗惠群,祝瑞金.电力系统次同步振荡问题的分析方法概述.电网技术,1999-06-24.

[2]邱家俊,杨志安,蔡赣华.发电机组转子轴系扭振双重共振的理论与实验研究.应用力学学报,1999-09-30.

[3]蒋东翔,刘超,谢小荣.600MW汽轮机低压转子裂纹故障分析与对策.清华大学,2013-07-17.