某電站發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)銅排發(fā)熱分析

蒲國慶，陳 爽，李明哲（. 四川華電瀘定水電有限公司，四川 瀘定 6600；. 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 50040）

某電站發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)銅排發(fā)熱分析

蒲國慶1，陳 爽2，李明哲2
（1. 四川華電瀘定水電有限公司，四川 瀘定 626100；2. 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

針對某水電站發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)短接銅排溫升過高問題，采用3D數(shù)值法分析計(jì)算銅排損耗及溫升，探尋發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)銅排真實(shí)電流與定子額定電流關(guān)系，為中性點(diǎn)銅排優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

中性點(diǎn)銅排；3D數(shù)值法；損耗；溫升

0 引言

某水電站發(fā)電機(jī)型號為SF230-60/14600，額定容量230MW，額定電壓15.75kV，額定電流9370A，額定轉(zhuǎn)速100r/min。定子繞組采用雙層條式波繞組，4Y接線，F(xiàn)級絕緣，中性點(diǎn)短接銅排為雙層11.2×120（mm×mm）軟銅排，空冷。

1 銅排發(fā)熱現(xiàn)象

對3號發(fā)電機(jī)（3F）中性點(diǎn)短接銅排迚行紅外成像測量。結(jié)果顯示其中性點(diǎn)短接銅排溫度比另外三臺(tái)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)短接銅排溫度高，中性點(diǎn)局部最高點(diǎn)溫度為166℃。從紅外成像圖片看，中性點(diǎn)銅排與中性點(diǎn)各分支銅排連接處周圍都比較明亮，溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在某一點(diǎn)。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)銅排監(jiān)測記錄詳見表1，紅外成像圖片如圖1和圖2所示。

2 銅排發(fā)熱原因分析

銅排發(fā)熱的基本原理為歐姆損耗：Q=I2R，Q為發(fā)熱量，I為流過銅排的電流，R為銅排的電阻。由此可見，電流過大或者電阻過大都是導(dǎo)致銅排發(fā)熱的原因。某電站發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)短接銅排發(fā)熱的原因主要為：（1）中性點(diǎn)短接銅排連接處接觸面接觸不良，導(dǎo)致接觸電阻大。（2）通過中性點(diǎn)短接銅排的電流大或電阻過大。

圖1 最高點(diǎn)為331.1F（換算后為166.2℃）

圖2 最高點(diǎn)為302.2F（換算后為150.1℃）

表1 發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)銅排溫度測量記錄

3 處理方案

3.1 降低接觸電阻，減少發(fā)熱

對發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)銅排連接處迚行檢查，結(jié)果為螺栓未松動(dòng)、銅排連接處接觸良好。為了迚一步改善短接銅排接觸情況，對接觸面迚行了打磨、將緊固螺栓重新把緊。

處理后，經(jīng)過運(yùn)行監(jiān)測，溫度變化不明顯。

3.2 降低電密，減少發(fā)熱

根據(jù)銅排發(fā)熱原理，將發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)短接銅排可能產(chǎn)生較大電流的中部增大其截面積，即：增加一層11.2×120（mm×mm）軟銅排，采用該處增為兩層銅排的處理方案，如圖3所示。中性點(diǎn)連接銅排寬、高及內(nèi)徑都與引入線的尺寸相同，中性點(diǎn)引入線的間距離也相等。中性點(diǎn)引入線厚度為11.2mm，共12根，兩兩緊貼，因此可以將其看作6根厚度為22.4mm的引入線，編號如圖3（a）所示。中性點(diǎn)連接銅排共4根，可看作是兩根厚度為22.4mm的銅排。其中下層銅排將所有中性點(diǎn)引入線相連接，上層銅排把從2號到5號橫跨的所有引線相連接。兩層銅排經(jīng)由引入線與銅墊塊彼此短接，銅墊塊位置如圖3（b）所示。

利用有限元數(shù)值法[2]，計(jì)算了此方案電密，其有效值分布云圖如圖4所示，損耗計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 中性點(diǎn)連接銅排損耗計(jì)算結(jié)果

根據(jù)損耗值，利用有限元數(shù)值法[3]迚行溫度場計(jì)算分析，溫度云圖如圖5所示。為了更清晰地表述處理后的溫度，表3中列出了各部分溫度計(jì)算值。2.44908e+007 1.95927e+007 1.46945e+007 9.79633e+006 4.89817e+006 0

圖3 增加中性點(diǎn)短接銅排截面積示意圖

圖4 銅排電密有效值分布云圖

表3 中性點(diǎn)連接銅排溫度計(jì)算結(jié)果（初步處理）

圖5 中性點(diǎn)連接銅排溫度分布云圖（初步處理）

經(jīng)過對3F中性點(diǎn)短接銅排加裝銅排處理后，在相同工況下迚行紅外線溫度監(jiān)測，平均溫度120℃，局部最高點(diǎn)溫度為130℃，最高溫度下降了36℃，效果較為明顯，且平均溫度低于電機(jī)溫度考核標(biāo)準(zhǔn)。理論計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測最高溫度基本吻合。為了迚一步降低銅排溫度，使其不超過90℃，還需要研究其他解決方案。

3.3 優(yōu)化中性點(diǎn)短接方式，降低電密，減少發(fā)熱，增加散熱面積

（1）增大銅排截面積，降低損耗

將3相4個(gè)支路的中性點(diǎn)短接銅排由原來4根銅排增加到8根，銅排截面尺寸不變（銅排截面為11.2×120（mm×mm），優(yōu)化后的短接銅排電阻值是原來的1/2，理論上，發(fā)熱量會(huì)減小一半，溫度也相應(yīng)降低。

（2）增加銅排散熱面積

由原來中性點(diǎn)短接銅排每根挨著排列，各銅排之間沒有間隙，優(yōu)化為每根銅排之間設(shè)有33.6mm的間隙，增加了銅排的散熱面積，改善了短接銅排處的通風(fēng)冷卻效果，以降低銅排的溫度。

（3）優(yōu)化短接銅排連接方式

通過優(yōu)化短接銅排的連接方式，降低和分散了銅排中存在的局部較大的電流，從而降低了短接銅排的損耗和溫度。

上述處理方案如圖6所示，圖中3相4支路共12根銅排引線，短接銅排為8根，分2組，每組4根短接銅排，先將3相2支路迚行短接，然后再將這2組短接銅排相連。

圖6 發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)銅排優(yōu)化連接圖

利用有限元數(shù)值法對這一處理方案迚行損耗和溫升計(jì)算，圖7為電流密度有效值分布云圖，而損耗分布觃律與電密分布觃律相同。

圖7 中性點(diǎn)連接銅排電密有效值分布云圖

觀察圖7可以看出，受集膚效應(yīng)和鄰擾效應(yīng)的影響，電密主要集中在銅排側(cè)邊位置，因此銅排側(cè)邊位置處的損耗要大于銅排中間位置。

損耗計(jì)算結(jié)果如表4、表5所示。圖1中最下層銅排為1號銅排，編號依次向上遞增。中性點(diǎn)引入線編號如圖1所示。

表4 中性點(diǎn)連接銅排損耗計(jì)算結(jié)果

表5 中性點(diǎn)引入線損耗計(jì)算結(jié)果

（1）這種改迚方案的中性點(diǎn)連接銅排總損耗為原有方案的60%左右，損耗得以明顯下降。

（2）改迚方案增加了銅排根數(shù)，單根銅排損耗大幅度降低。其中單根損耗最大的銅排位于最外側(cè)位置，約占該方案銅排總損耗的28%。

根據(jù)計(jì)算出的損耗值，利用有限元數(shù)值法進(jìn)行三維溫度場計(jì)算。中性點(diǎn)連接銅排包括引線、銅排以及墊塊，對全區(qū)域迚行建模計(jì)算。假定計(jì)算域風(fēng)溫是恒定的，且環(huán)境溫度按40℃考慮；由于引線、銅排以及墊塊均為銅材質(zhì)，設(shè)其為各向同性材料。

經(jīng)過計(jì)算分析可知，中性點(diǎn)連接銅排的溫度云圖如圖7、圖8所示，表6列出了各部分溫度計(jì)算值。

表6 中性點(diǎn)連接銅排溫度計(jì)算結(jié)果

圖8 中性點(diǎn)連接銅排溫度云圖

通過計(jì)算結(jié)果對比分析可知：優(yōu)化后的短接銅排損耗大幅度降低，整體溫度由105.8℃~128℃降低到45.7℃~65.9℃，溫度下降明顯，達(dá)到了優(yōu)化的目標(biāo)。

3 結(jié)論

對某電站水輪發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)短接銅排迚行優(yōu)化，使其整體溫度可降低到45.7℃~65.9℃，優(yōu)化后降幅明顯，達(dá)到了優(yōu)化的目的，為銅排的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

[1] 陳代祥, 王飛, 劉俠. 水力發(fā)電機(jī)組中性點(diǎn)電流互感器故障分析與對策[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2015(4): 27-29.

[2] 李書芳, 姚若萍. 用積分法計(jì)算水輪發(fā)電機(jī)端部繞組的三維電磁場[J]. 大電機(jī)技術(shù), 1997(6):1-5.

[3] 李廣德, 付剛, 何文秀. 大型水輪發(fā)電機(jī)定子三維溫度場計(jì)算[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2000(2):1-5.

審稿人：李金香

Analysis of the Generator Neutral Point Copper Megatemperature in a Hydropower Plant

PU Guoqing1, CHEN Shuang2, LI Mingzhe2
（1. Sichuan Huadian Luding Hydro Electricity Co., Ltd, Luding 626100, China; 2. Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China）

For the problem of the generator neutral point short circuit copper temperature rise excessive National standard, by using the 3D FEM analyze and calculate copper platoon loss and temperature rise, exploring the generator neutral point copper real current and rated current of stator relationship, theoretical basis for optimization design neutral copper platoon and precious practical experience are provided.

generator neutral point; 3D FEM; loss; temperature rise

TM855

A

1000-3983(2015)06-0024-03

2015-08-17

蒲國慶（1973-），男，1996年畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)檢測技術(shù)與儀器專業(yè)，主要從事水電站機(jī)電設(shè)備維護(hù)技術(shù)管理工作，高級工程師。