大型水輪發(fā)電機(jī)定子溫升計(jì)算研究

于濤，范吉松，秦光宇，韓榮娜

(1 水力發(fā)電設(shè)備國(guó)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(guò)程中的溫升也就是內(nèi)部溫度的分布問(wèn)題。溫度分布不合理會(huì)產(chǎn)生諸多問(wèn)題，如溫升過(guò)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(jiǎn)化公式法、等效網(wǎng)絡(luò)法和溫度場(chǎng)法［1］。

簡(jiǎn)化公式法是假定全部鐵心損耗及有效部分銅耗只通過(guò)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(méi)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(jiǎn)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(lái)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(guò)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(lái)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(jiǎn)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(lái)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(jiàn)，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(wú)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(jiàn)圖1)，技術(shù)參數(shù)見(jiàn)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(jiàn)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(lái)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(guò)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(jiàn)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(jiàn)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(méi)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(wú)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(guò)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(yǔ)

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(wú)法分析是否存在局部過(guò)熱的問(wèn)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(shuō)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。

［1］ 李和明，李俊卿.電機(jī)中溫度計(jì)算方法及其應(yīng)用綜述.華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2005.32(1)1-5.

［2］ Changsoo Jang，Jong Young Kim，Yung Joon Kim，and Jae Ok Kim.Heat Transfer Analysis and Simplified Thermal Resistance Modeling of Linear Motor Driven Stages for SLIT Applications.IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies.2003，26(3):532-540.

［3］ Y.Guo，J.G Zhu，W.Wu.Thermal Analysis of Soft Magnetic Composite Motors Using a Hybrid Model With Distributed Heat Sources.IEEE Transactions on Magnetic.2005，41(6):2124-2128.

［4］ 張新波，許承千.電機(jī)三維溫度場(chǎng)的綜合分析.電工技術(shù)雜志，2000.(3)4-6.

［5］ 安志華，劉雙，金波，等.燈泡式水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法.大電機(jī)技術(shù)，2005，(5):5-8.

［6］ Sungmun Cho，Jaekwang Kim，Hyunkyo Jung，Cheolgyun Lee.Stress and Thermal Analysis Coupled with Field Analysis of Multilayer Buried Magnet Synchronous Machine with a Wide Speed Range.IEEE Transactions on Magnetics.2005，41(5):1632-1635.

［7］ 李偉力，丁樹(shù)業(yè)，靳慧勇.基于藕合場(chǎng)的大型同步發(fā)電機(jī)定子溫度場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(13):129-134.

［8］ 李偉力，付敏，周封，等.基于流體相似理論和三維有限元法計(jì)算大中型異步電動(dòng)機(jī)的定子三維溫度場(chǎng).中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2000，20(5):14-17.