汽轮发电机组的轴系扭振：产生原因和防治措施

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　　电力系统的某些故障和运行方式，往往导致大型汽轮发电机组的轴系扭转振动，以致造成轴系某些部件或联轴器的疲劳损坏。

　　轴系扭振是指组成轴系的多个转子，如汽轮机的高、中、低压转子，发电机、励磁机转子等之间产生的相对扭转振动。随着汽轮发电机组单机容量增大，轴系的功率密度亦相对增大，以及轴系长度的加长和截面积相对下降，整个轴系成为一个两端自由的弹性系统，并存在着各种不同振型的固有的轴系扭转振动频率。同时随着大电网远距离输电使系统结构和输电技术愈趋复杂。由于这两方面的原因，电力系统因故障或运行方式的改变所引起的电气系统与轴系机械系统扭振频率的耦合作用，将会导致大型汽轮发电机组的轴系扭转振动，严重威胁机组的安全运行。

　　汽轮机组产生轴系扭振的原因

　　归纳起来为两个方面：

　　  · 一是电气或机械扰动使机组输入与输出功率(转矩)失去平衡，或者出现电气谐振与轴系机械固有扭振频率相互重合而导致机电共振;

　　  · 二是大机组轴系自身所具有的扭振系统的特性不能满足电网运行的要求。因此，无论产生的原因如何，从性质上又可将轴系扭振分为：短时间冲击性扭振和长时间机电耦合共振性扭振等两种情况。

　　汽轮机组产生轴系扭振的影响

　　从原则上讲，电力系统出现的各种较严重的电气扰动和切合操作都会引起大型汽轮发电机组轴系扭振，从而产生交变应力并导致轴系疲劳或损坏，只是其影响程度随运行条件、电气扰动和切合操作方式、频率(次数)等不同而异。其中影响较大的可归纳为以下四个方面：

　　1. 电力系统故障与切合操作对轴系扭振的影响
　　通常的线路开关切合操作，特别是功率的突变和频繁的变化;手动、自动和非同期并网;输出线路上各种类型的短路和重合闸等都会激发轴系的扭振并造成疲劳损伤。

　　2. 发电厂近距离短路和切除对轴系扭振的影响
　　发电厂近距离(包括发电机端)二相或三相短路并切除以及不同相位的并网，都会导致很高的轴系扭转机械应力。例如在发电机发生三相短路时，短路处电压下降接近于零，于是在短路持续时间内，一方面与短路前有功负荷对应的同步电磁转矩接近于零，同时发电机因短路并以振荡形式出现的暂态电磁转距将激发起整个轴系的扭转振动。

　　3. 电力系统次同步振荡对轴系扭振的影响
　　在电力系统高压远距离输电线路上，当采用串联补偿电容用以提高输电能力时，该电容器同被补偿的输电线路的电感，将构成L-C回路(略去回路电阻)并产生谐振。当电网频率与上述的谐振频率的差值与轴系某一机械固有扭振频率相同或接近时，则上述的电气谐振与机械扭振合拍并相互激励，从而给机组轴系的安全运行构成严重的威胁。由于电气谐振频率低于电网频率，通常称为次同步振荡。
　　4. 电力系统负序电流对轴系扭振的影响
　　发电机定子绕组中的负序电流可由三相负荷不平衡、各种不对称短路、断线故障引起。负序电流相当于一个外力源，因此由负序电流产生的轴系扭振有别于上述的自激扭振，并称之为强迫扭振。负序电流在电机中产生的旋转磁场与转子的励磁磁场相互作用，并产生交变转矩作用在轴系上，如果这一交变转矩的频率同机组轴系某一个固有的扭振频率重合，就会激发起轴系的扭振。

　　预防和抑制轴系扭振的措施

　　可以从设计制造、运行方式，机—电配合、在线监测等几个方面针对不同的情况采取相应的措施。

　　1.设计制造
　　是指包括汽轮发电机轴系扭振频率、绕组的设计、选材、工艺和机械加工以及输电系统的线路的结构方式、继电保护、控制手段以及串联电容补偿方式的设计与选择等。

　　例如：轴系的结构尺寸和刚度要考虑避免机—电谐振合拍，使轴系固有的扭振频率避开对应出现的谐振频率，一般倍频要求避开±7HZ，工频要求避开±15HZ。电网的规划设计如需采用串联电容补偿方式，在考虑满足电力系统稳定的同时，还要考虑避开可能出现的激发轴系扭振的谐振频率或采取相应的抑制措施。

　　2. 运行方式
　　是指在满足输电的条件下，尽量避免采用前述的可能导致高轴系扭振应力的运行方式。例如，尽量避免使机组输出的有功功率发生±0.5(标么值)突变量的正常线路的切合操作(包括甩负荷)。

　　3. 在线监测
　　是利用机组扭振在线监测装置准确测量系统冲击所造成的轴系扭振的损伤国外的一些大型汽轮发电机组，根据系统的需要所配备的扭振在线监测装置(简称TSA，于1977年在欧洲投入使用)，是防止机组出现过大扭应力和疲劳损伤的有效手段。

　　对于运行人员来说，轴系扭振不象机组的横向机械振动那样易于感受和发现，但应注意遇到电力系统大的扰动如发电机短路、机组甩负荷等可能造成的轴系扭振损坏。

　　经验证明：在轴系扭振造成轴系某些部件损坏时，都伴随着机组振动的变化。严格监视机组的振动变化，尤其是机组受到电力系统重大扰动时引起的振动变化，在一定程度上可以监督轴系的扭振造成的轴系损坏。

　　来源：CAA发电自动化公众号，检索发现原文最早见于百度文库