于濤，范吉松，秦光宇，韓榮娜

(1 水力發(fā)電設(shè)備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150040;2 哈爾濱大電機(jī)研究所，黑龍江哈爾濱150040)

0 引言

發(fā)電機(jī)的可靠性主要體現(xiàn)在運(yùn)行過程中的溫升也就是內(nèi)部溫度的分布問題。溫度分布不合理會(huì)產(chǎn)生諸多問題，如溫升過高會(huì)導(dǎo)致絕緣的損壞，包括絕緣的分層、脫殼、老化等，從而使絕緣的電氣性能下降，直接影響電機(jī)的使用壽命和運(yùn)行的可靠性。在工程上，溫升的計(jì)算方法主要有三種:簡化公式法、等效網(wǎng)絡(luò)法和溫度場(chǎng)法［1］。

簡化公式法是假定全部鐵心損耗及有效部分銅耗只通過定子圓柱形冷卻表面散出，而且電樞繞組銅的有效部分和接觸部分之間沒有熱交換。這些假定雖然不盡合理，但是這種方法所采用的散熱系數(shù)是根據(jù)結(jié)構(gòu)相同或相似的電機(jī)溫升試驗(yàn)結(jié)果確定的，因此計(jì)算結(jié)果比較接近于實(shí)際。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡單，因此易于被工廠接受，缺點(diǎn)是不太精確、不夠完整，只能計(jì)算出電機(jī)的平均溫升，不能滿足日益提高的設(shè)計(jì)工作需要［2］。

等效網(wǎng)絡(luò)法是根據(jù)傳熱學(xué)和電路理論來形成等效網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)圖中的熱源為繞組的銅耗、鐵耗(齒部、軛部)，這些損耗所在部件在計(jì)算時(shí)被認(rèn)為是均質(zhì)的。損耗熱量通過各種相應(yīng)的熱阻，由熱源向冷卻介質(zhì)傳遞，形成一個(gè)復(fù)雜的熱網(wǎng)絡(luò)。采用電路網(wǎng)絡(luò)中基爾霍夫定律來列出全部熱平衡方程，然后用求解線性電路的方法，計(jì)算電機(jī)各有效部位的平均溫升。此方法計(jì)算精度比簡化公式法高，能夠得到電機(jī)總體溫升和平均溫升［3］。

溫度場(chǎng)法是用現(xiàn)代數(shù)值方法來求解熱傳導(dǎo)方程，也就是將求解區(qū)域離散成許多小單元，在每個(gè)單元中建立方程，再對(duì)總體方程組進(jìn)行求解。由此可見，溫度場(chǎng)法將研究對(duì)象從宏觀轉(zhuǎn)為微觀，從總體轉(zhuǎn)到局部單元，求得每一點(diǎn)的溫度，對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域中的每個(gè)局部單元都能獲得可靠的計(jì)算數(shù)據(jù)，從而更加準(zhǔn)確、合理地指導(dǎo)電機(jī)的設(shè)計(jì)［4］。

本文以向家壩800MW 大型水輪發(fā)電機(jī)為算例，分別應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)法和溫度場(chǎng)計(jì)算方法對(duì)定子溫升進(jìn)行計(jì)算，考核定子溫度分布情況。

1 通風(fēng)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及尺寸

向家壩水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子外圓線速度較高，轉(zhuǎn)子自身產(chǎn)生的冷卻風(fēng)量已能滿足通風(fēng)散熱的需要。因此，采用雙路徑向無風(fēng)扇端部回風(fēng)密閉自循環(huán)全空氣冷卻方式。冷卻空氣在由轉(zhuǎn)子支架、磁軛、磁極旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的風(fēng)壓作用下進(jìn)入轉(zhuǎn)子支架入口，流經(jīng)磁軛風(fēng)溝、磁極極間、氣隙、定子徑向風(fēng)溝，冷卻氣體攜帶發(fā)電機(jī)損耗熱經(jīng)定子鐵心背部匯集到冷卻器與冷卻水熱交換散去熱量后，重新分上、下兩路流經(jīng)定子線圈端部進(jìn)入轉(zhuǎn)子支架，構(gòu)成密閉自循環(huán)端部回風(fēng)通風(fēng)系統(tǒng)(見圖1)，技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1 通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

表1 向家壩水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸

2 通風(fēng)計(jì)算

向家壩發(fā)電機(jī)通風(fēng)計(jì)算使用流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件進(jìn)行分析(見圖2)。流體包括可壓縮和不可壓縮兩種，可進(jìn)行流體的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分析及流體動(dòng)力計(jì)算。軟件可模擬發(fā)電機(jī)風(fēng)路，包括轉(zhuǎn)子支架、磁軛風(fēng)溝、磁極極間的壓力元件及阻力元件;氣隙、定子風(fēng)溝、冷卻器等阻力元件，都用網(wǎng)絡(luò)元件來模擬［5］。計(jì)算得到該機(jī)組總風(fēng)量為390.2m3/s。

圖2 通風(fēng)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)

3 定子溫升計(jì)算

3.1 網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算

通風(fēng)計(jì)算得到各部位的風(fēng)量及風(fēng)速分配，根據(jù)風(fēng)速可得到各部位的散熱系數(shù)。以損耗作為熱源，根據(jù)電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算出各部位的過流面積、散熱面積以及各部位之間的導(dǎo)熱面積，從而使用網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行定子溫升計(jì)算，其計(jì)算網(wǎng)絡(luò)見圖3。網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算得到定子線圈平均溫升為73.6K，鐵心齒部平均溫升為34.19K，鐵心軛部平均溫升為30.56K，冷風(fēng)溫度按40℃進(jìn)行計(jì)算(見表2)。

表2 損耗分配

圖3 定子溫升計(jì)算網(wǎng)絡(luò)

3.2 溫度場(chǎng)計(jì)算

針對(duì)該機(jī)組通風(fēng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，考慮到結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，定子溫度場(chǎng)模型取半齒半槽進(jìn)行分析計(jì)算，軸向取包括上下端部線圈在內(nèi)的整個(gè)區(qū)域。把電磁分析的各部分損耗作為模型的熱源，結(jié)合電機(jī)的冷卻方式，選擇合理的邊界條件，對(duì)電機(jī)定子溫度分布進(jìn)行計(jì)算。

3.2.1 基本假設(shè)

(1)考慮定子繞組銅耗時(shí)，認(rèn)為渦流效應(yīng)對(duì)每根股線的影響相同，即取其平均值;(2)把槽楔及導(dǎo)線外的絕緣認(rèn)為是同一種物質(zhì);(3)端部繞組在鼻端嚙合處認(rèn)為沒有熱交換，可做絕熱面處理;(4)端部只考慮繞組部分;(5)考慮到定子徑向通風(fēng)溝中的風(fēng)與定子鐵心和線圈產(chǎn)生熱交換，為此假定風(fēng)溫沿徑向是線性遞增的;(6)定子繞組股線都有絕緣漆膜，但由于漆太薄，若對(duì)其進(jìn)行剖分將會(huì)出兩種情況，一是單元形狀差，或是單元數(shù)劇增而使程序運(yùn)行困難或無法正常工作，故假定股線之間不存在絕緣，其影響歸算到繞組的導(dǎo)熱系數(shù)中;(7)不計(jì)熱輻射作用。

3.2.2 邊界條件

根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)考慮溫度邊界條件(第一類)、絕熱邊界條件(第二類)和熱交換邊界條件(第三類)。定子溫度分布計(jì)算的邊界條件在通風(fēng)溝處選用第三類邊界條件，即需給出流體的溫度和流體與邊界面的對(duì)流換熱系數(shù)。對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算考慮風(fēng)溝中風(fēng)溫是逐步升高的，對(duì)不同風(fēng)速、不同溫度下的物理參數(shù)計(jì)算相應(yīng)的換熱系數(shù)。另外，由于鐵心疊片、線圈股線絕緣等因素的影響，計(jì)算中考慮材料的三維各向異性，考慮附加損耗趨表效應(yīng)。

溫度場(chǎng)計(jì)算中，空氣溫度隨著電機(jī)內(nèi)的熱交換過程逐漸變化，而冷風(fēng)溫度是按40℃考慮的，在此基礎(chǔ)上，考慮電機(jī)熱源產(chǎn)生的位置考慮溫度變化對(duì)空氣物理參數(shù)和計(jì)算結(jié)果的影響［6-8］。

應(yīng)用上述方法進(jìn)行計(jì)算分析，圖4 顯示了定子整個(gè)計(jì)算區(qū)域的溫度分布。從圖5 的線圈溫度分布云圖中可看出，最高溫度點(diǎn)為119.709℃(軸向位于中間鐵心段處，徑向位于上層線圈的直線段靠層間絕緣處)，銅排平均溫升為75.43K。圖6 為定子鐵心溫度分布云圖，其中最熱點(diǎn)溫度為80.868℃(處在中間鐵心段的齒根部)，定子鐵心的平均溫升為30.7K，軛背部及齒頂處溫度較低，定子鐵心內(nèi)圓處的平均溫升為27.2K，定子鐵心外圓處的平均溫升為27.5K。

圖4 定子半齒半槽沿軸向溫度分布云圖

圖5 定子線圈沿軸向溫度分布云圖

圖6 定子鐵心沿軸向溫度分布云圖

4 結(jié)語

本文分別應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)法和溫度場(chǎng)的計(jì)算方法對(duì)向家壩水輪發(fā)電機(jī)定子溫升進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果比較吻合。網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算溫升在電機(jī)

設(shè)計(jì)上是初期的計(jì)算手段，可較快地分析定子線圈和鐵心的平均溫度，缺點(diǎn)是無法分析是否存在局部過熱的問題。應(yīng)用溫度場(chǎng)計(jì)算溫升可充分展示定子線圈和鐵心的溫度分布情況，有利于優(yōu)化設(shè)計(jì)。另外，在定子強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，熱膨脹計(jì)算的邊界條件要根據(jù)定子鐵心內(nèi)外圓溫度給定，網(wǎng)絡(luò)法只能給出整個(gè)定子鐵心平均溫度，不能給出鐵心內(nèi)外圓溫度，而溫度場(chǎng)的計(jì)算方法可以給出。需要特別說明的是本文冷風(fēng)溫度給定的是40℃，在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)總損耗、總風(fēng)量以及冷卻器的設(shè)計(jì)情況和冷卻器的實(shí)際進(jìn)水溫度求出電機(jī)的實(shí)際冷風(fēng)溫度，因?yàn)槿绻滹L(fēng)溫度給高了，鐵心內(nèi)圓溫度偏高，導(dǎo)致定子內(nèi)圓熱膨脹不夠，氣隙較設(shè)計(jì)值減小。

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