楊 平,周 令

（中國水利水電第七工程局有限公司拉拉山水電站機電安裝項目經(jīng)理部，四川 甘孜州 627650）

1 前言

建國以來,尤其是改革開放以來,我國的水電事業(yè)取得了輝煌的成就。水電裝機容量已突破1億千瓦,按照我國未來水電開發(fā)目標,到2015年水電裝機容量要到達1.5億kW,占全國電力總裝機容量的比重由目前的24%提高到28%。在國家的“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略中,電力工業(yè)的首要任務(wù)是積極開發(fā)西部的水電資源,實現(xiàn)“西電東送”水電建設(shè)將進入長達10年的黃金發(fā)展期,重點發(fā)展50萬kW以上大型混流式水輪發(fā)電機組和30萬kW級抽水蓄能機組。目前,我國已建成的大中型水電廠有150多座,計劃和正在建設(shè)的大型和特大型水電廠20多座,其中到2010年全部投產(chǎn)的三峽水電站裝機容量為18200 Mw,是當今世界裝機容量最大的水電站。大中型水輪發(fā)電機組的不斷投產(chǎn),使得大型水輪發(fā)電機組在整個電網(wǎng)中的比重越來越大,單機容量增加,年平均發(fā)電時間延長,檢修時間縮短,事故停機造成的經(jīng)濟損失極為嚴重。

在開發(fā)水電的過程中，水輪發(fā)電機是作為一個大規(guī)模發(fā)電系統(tǒng)的樞紐，它能否安全有地運行，是整個開發(fā)過程的一個關(guān)鍵因素，因此，對水輪發(fā)電機的運行狀態(tài)進行深入的理論研究有著非常重要的實際意義和工程價值。

大型水輪發(fā)電機的制造在很大的程度上反映了一個國家大型裝備的制造水平，也能夠體現(xiàn)出一個國家的科技地位。水輪發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)十分復雜，再加上運行過程中又有很多不確定因素，因此，對水輪發(fā)電機的研究也是一個很復雜的課題。隨著發(fā)電機單機容量的不斷提升，電磁負荷就要隨之提高，這樣發(fā)電機運行過程中端部漏磁場產(chǎn)生的作用也就逐漸的顯現(xiàn)出來了。發(fā)電機端區(qū)構(gòu)件形狀復雜，材質(zhì)多樣，結(jié)構(gòu)件中的渦流必定產(chǎn)生一定的損耗，同時，發(fā)電機也會出現(xiàn)局部過熱的情況，這就直接影響到發(fā)電機的使用壽命。

隨著水輪發(fā)電機的容量的不斷增加，發(fā)電機端部區(qū)域的磁密相應(yīng)提高，端部結(jié)構(gòu)件中的渦流損耗也隨之增加。這樣，不僅降低了電機的效率、造成局部過熱，還影響到發(fā)電機運行的可靠性。發(fā)電機端部區(qū)域磁場的增強，還使得發(fā)電機在故障運行時的電磁力和振幅相應(yīng)增大，造成絕緣線圈的快速磨損，這是近幾年來大型水輪發(fā)電機故障燒毀的主要原因之一。因此水輪發(fā)電機端部區(qū)域的渦流損耗研究，對水輪發(fā)電機的運行設(shè)計具有重要的意義。

2 水輪發(fā)電機端部渦流損耗計算研究現(xiàn)狀

發(fā)電機端部結(jié)構(gòu)件中的渦流損耗隨著發(fā)電機單機容量的增大也在相應(yīng)的提高，由于損耗出現(xiàn)的不均勻，將在發(fā)電機端部出現(xiàn)了局部過熱的現(xiàn)象。端部區(qū)域損耗增大、局部過熱，將是危及發(fā)電機可靠運行的重要因素之一。為了防止電機出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象，應(yīng)從源頭上改善電機端部結(jié)構(gòu)，減少端部漏磁，降低端部結(jié)構(gòu)件中的渦流損耗。對發(fā)電機端部渦流場計算的準確性將直接決定端部渦流損耗和溫度場計算的準確性。

2.1 發(fā)電機端部渦流場的主要計算方法

發(fā)電機端部渦流場的主要計算方法包含解析計算法和數(shù)值計算法。

（1）解析計算法。解析法計算渦流場在電機端部渦流場求解的前期應(yīng)用較為廣泛，它能夠直接顯示出來需要觀察的物理量，方便直接定性分析時使用。但是使用這種方法之前，一定要對分析模型適當?shù)暮喕虼嗽摲ㄓ捎诖罅康暮喕箿蚀_性降低。J.A.Tegopoulos使用了發(fā)電機端部準三維渦流場計算中常常提到的“等效電流層”和“氣隙回轉(zhuǎn)電流”的概念，并且利用傅里葉級數(shù)完成了含有氣隙效應(yīng)的端部準三維電磁場求解。到20世紀70年代時，現(xiàn)代計算機技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，于是突破了傳統(tǒng)的限制，新興的數(shù)值計算法得到了很好的發(fā)展。但由于發(fā)電機端部結(jié)構(gòu)復雜，端部結(jié)構(gòu)件材料的特性在物理場計算時也很多變，導致了發(fā)電機端部渦流場準確計算仍然具有很大的難題。

（2）數(shù)值計算法。渦流場的數(shù)值計算方法主要包含兩種：A法和T法。A法，就是在導電區(qū)域內(nèi)除了設(shè)置矢量磁位A外，還要加上標量電位φ，而在非導體區(qū)只有矢量磁位A，因此也將該法稱為矢量磁位與標量電位法（A-φ法）。該種方法計算區(qū)域內(nèi)的各邊界面滿足自然邊界條件，但待求的未知數(shù)較多。T法，在導體區(qū)內(nèi)用矢量電位T和Ω標量磁位Ω，而在非導體區(qū)只用標量磁位Ω，該種方法也叫矢量電位與標量磁位法(T-Ω)。此種法未知數(shù)少，但方程離散時需要特殊處理，并且利用 ICCG法迭代求解時收斂速度較慢。對三維渦流場計算時，用A法還是T法可根據(jù)具體實際情況選擇。由于發(fā)電機端部結(jié)構(gòu)復雜，隨著電機容量的增加，結(jié)構(gòu)尺寸也隨之增加，這樣對發(fā)電機端部渦流場建立全三維實體模型難度很大。

2.2 發(fā)電機端部渦流損耗計算國內(nèi)外研究進展

（1）國外研究進展。從上世紀70年代，國外專家就對發(fā)電機端部渦流損耗計算進行了研究，并取得了一定的成果。1980年，K.Ito等人在文獻中，假設(shè)鐵心磁導率μ=∞的前提下，使用行波場有限元法對在空載、短路兩種工況下發(fā)電機端部區(qū)域磁場進行了分析，得出了發(fā)電機端部磁屏蔽、定轉(zhuǎn)子端部鐵心的磁場分布。

1981年，J.Weise等人利用三維有限元法對汽輪發(fā)電機端部三維靜磁場進行了分析計算，首次提出了在電流區(qū)域采用矢量磁位A為求解變量，在無電流區(qū)域采用標量磁位Ω為求解變量的計算方法（即所謂的=A-Ω法），將磁場強度H分為由電流區(qū)矢量磁位A表示的HA和由非電流區(qū)標量磁位Ω表示的 HΩ，大大減小了計算量。

1990年，G.K.M.Khan等人中建立了發(fā)電機端部的準三維模型，應(yīng)用積分方程法對一臺容量為 600 MW汽輪發(fā)電機端部渦流場進行了計算，并將計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進行了對比，對汽輪發(fā)電機端部渦流場計算具有較大的參考價值。

（2）國內(nèi)研究進展。國內(nèi)的專家學者對于電機端部場也開展了很多研究工作，1964年陳丕璋教授建立了發(fā)電機鐵心端面和定子端部繞組的展開部分相平行的模型，同時假定發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子繞組直線伸出端部分的電流作用可以相互抵消，結(jié)果成功地得到了端部場的簡化解析表達式，該論文的研究表征我國開始了對發(fā)電機端部電磁場問題的研究。

從20世紀80年代以來，國內(nèi)學者認識到有限元法對電機端部電磁場求解有很大的幫助，并且進行了相關(guān)的研究工作。在使用的模型中全面考慮定子槽和通風溝的影響后，引入了等效磁導率的概念，并對討論了影響汽輪發(fā)電機端部磁場的主要因素，為汽輪發(fā)電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化提出了可靠依據(jù)。文獻[7]中建立了包括定子鐵心邊段在內(nèi)的水輪發(fā)電機端部渦流場有限元分析模型，在模型中定子鐵心采用疊片結(jié)構(gòu)和將鐵心選為各向異性材料進行分析，又增加了處理邊界條件的一些新方法。

3 結(jié)語

電機渦流損耗的計算是大型發(fā)電機設(shè)計的重要內(nèi)容之一，不僅關(guān)系到發(fā)電機的安全可靠運行，而且直接關(guān)系到發(fā)電機的使用壽命，因此，進一步加大對水輪發(fā)電機端部渦流損耗計算研究意義重大。雖然國內(nèi)外專家學者對水輪發(fā)電機端部渦流損耗計算已進行了一些研究，取得了一定成果，但是隨著發(fā)電機裝機容量的不斷增加，對發(fā)電機端部結(jié)構(gòu)件渦流損耗問題還有待于進一步深入研究，為大型水輪發(fā)電機內(nèi)部物理場的進一步分析提供依據(jù)。

[1]陳丕璋，孫樹勤，俞天音．定子端部繞組與壓板平行的汽輪發(fā)電機在短路時端部壓板的電磁場與渦流損耗[J]．清華大學學報，1964，11(3)：47-57．

[2]陳偉華．空載、三相短路和進相運行時汽輪發(fā)電機的端部磁場[J]．哈爾濱電工學院學報，1987，10(1)：17-25．

[3]李書芳，姚若萍，高景德．水輪發(fā)電機端部各向異性渦流場分析的數(shù)學模型[J]．清華大學學報(自然科學版)，1997，37(10)：95-98．