某水電站磁極線圈溫升過(guò)高現(xiàn)象分析及磁極改造

楊桂周，陳珊英

（東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310020）

前言

國(guó)內(nèi)某水電站主要擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用，其中1臺(tái)機(jī)組磁極線圈溫升偏高，超過(guò)100 K，影響了發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行，一旦發(fā)生發(fā)電機(jī)停運(yùn)事故，將給發(fā)電廠帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，為避免可能發(fā)生的事故，需要對(duì)磁極線圈溫升偏高的原因進(jìn)行分析并改造。改造范圍：磁極鐵心及磁極線圈；改造要求：磁極線圈溫升不超過(guò)80 K。

1 改造前發(fā)電機(jī)基本參數(shù)

表1

2 磁極線圈溫升偏高原因分析

通常磁極線圈溫升偏高，主要有以下幾方面原因：①發(fā)電機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)不合理，通風(fēng)量不足；②磁極線圈截面積偏小電流密度過(guò)大；③磁極線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理散熱面積不足。以上情況都會(huì)使磁極線圈產(chǎn)生的熱量無(wú)法有效的散發(fā)出去，從而導(dǎo)致磁極線圈溫升偏高。

因此，該發(fā)電機(jī)磁極線圈溫升偏高的原因主要從通風(fēng)冷卻系統(tǒng)、磁極線圈電流密度和散熱面積3個(gè)方面著手分析。

（1）原發(fā)電機(jī)采用的是雙回路端部回風(fēng)的徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)，通風(fēng)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。通過(guò)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)解析，得出各主要部位的風(fēng)速和風(fēng)量如表2所示。

圖1 通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

表2 各主要部位的風(fēng)速和風(fēng)量

通過(guò)對(duì)該電站通風(fēng)系統(tǒng)解析結(jié)果可知，總風(fēng)量約53 m3/s，各路徑風(fēng)量在磁軛風(fēng)道、磁極、定子鐵心沿軸向分布均勻，各部件入口風(fēng)速合理，同時(shí)結(jié)合定子溫升與空氣溫升并不高的情況，說(shuō)明通風(fēng)冷卻系統(tǒng)良好，不是磁極線圈溫升偏高的主要原因。

（2）根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，該項(xiàng)目原設(shè)計(jì)額定工況時(shí)，磁極線圈電流密度為2.6 A/mm2，對(duì)于容量在100 MVA的發(fā)電機(jī)組，此水平下的電流密度應(yīng)該也不是造成磁極線圈溫升偏高的主要原因。

（3）磁極線圈銅排為無(wú)散熱翅也無(wú)散熱匝的矩形結(jié)構(gòu)。當(dāng)機(jī)組容量大且磁極線圈電流密度在2.6 A/mm2時(shí)，為使磁極線圈得到良好的散熱效果，通常都會(huì)采用帶散熱翅結(jié)構(gòu)的銅排或者設(shè)置散熱匝，而該項(xiàng)目這2種方式均未采用，散熱效果差，所以磁極線圈產(chǎn)生的熱量不能有效的散發(fā)出去，這應(yīng)該是導(dǎo)致磁極線圈溫升偏高的主要原因。

3 改造方案

基于上述原因，該機(jī)組的改造方案主要從增加磁極線圈散熱面積和降低磁極線圈損耗兩方面進(jìn)行，并注意改造后通風(fēng)結(jié)構(gòu)不能變差，以免影響其他部件的溫度。

3.1 增加磁極線圈散熱面積

將無(wú)散熱翅的矩形銅排改成帶散熱翅的異形銅排結(jié)構(gòu)，磁極銅排截面圖如圖2所示。該結(jié)構(gòu)的散熱面積可達(dá)到原設(shè)計(jì)的2.5倍，大大增加了磁極線圈的散熱面積，散熱效果明顯增加。散熱翅采用合適的結(jié)構(gòu)尺寸，并呈圓弧形，風(fēng)阻小，通風(fēng)效果好，對(duì)磁極線圈散熱更加有效。

圖2 磁極銅排截面圖

3.2 降低磁極線圈損耗

改造時(shí)考慮到與勵(lì)磁相關(guān)設(shè)備的留用，因此，需在勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流等電磁參數(shù)都不超過(guò)原設(shè)計(jì)值的基礎(chǔ)上，減小磁極線圈損耗，以達(dá)到降低磁極線圈發(fā)熱的目的。

（1）增加極身寬度降低極身磁通密度，可減小勵(lì)磁電流，但受到極間空間限制，因此，磁極鐵心尺寸宜維持原設(shè)計(jì)不變。

（2）增加磁極鐵心沖片長(zhǎng)度同時(shí)降低磁極端板厚度，以保持磁極軸向長(zhǎng)度不變，因磁極沖片材料的導(dǎo)磁性能優(yōu)于磁極端板，因此，該方法使磁極鐵心有效長(zhǎng)度增加，可降低勵(lì)磁電流，從而降低磁極線圈損耗。

（3）取消極靴肩部的2根阻尼條，由7根變更為5根，原設(shè)計(jì)因極靴肩部設(shè)有阻尼條，會(huì)使該處局部磁場(chǎng)集中，勵(lì)磁電流也會(huì)相應(yīng)較大，改為5根后，會(huì)使磁極靴部表面磁場(chǎng)分布均勻，對(duì)減小勵(lì)磁電流存在一定的好處，但需要對(duì)阻尼條溫度進(jìn)行校核，以保證阻尼條溫升不會(huì)過(guò)高導(dǎo)致阻尼條燒損。

（4）增加磁極線圈匝數(shù)，經(jīng)設(shè)計(jì)與制造工藝研討，通過(guò)減小上、下絕緣法蘭厚度以及減薄匝間絕緣厚度的方式，可以為增加一匝磁極線圈騰出所需的空間，此時(shí)磁極線圈的對(duì)地空間距離與爬電距離都能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，該方案使得勵(lì)磁電流與勵(lì)磁電壓較原設(shè)計(jì)值都一定幅度的降低，因此，增加一匝磁極線圈匝數(shù)可有效降低磁極線圈損耗。

綜上，磁極鐵心結(jié)構(gòu)尺寸維持不變，僅對(duì)磁極鐵心有效長(zhǎng)度、磁極線圈及其絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行變更，改造前后磁極斷面對(duì)比如圖3所示。

圖3 改造前后磁極斷面對(duì)比圖

4 磁極線圈溫升計(jì)算分析

分別利用熱回路網(wǎng)絡(luò)法和有限元三維解析的方法對(duì)磁極線圈的溫度進(jìn)行了計(jì)算分析。

磁極線圈溫升計(jì)算分析用主要參數(shù)如表3所示。

表3 磁極線圈溫升計(jì)算用主要參數(shù)

4.1 熱回路網(wǎng)絡(luò)法

根據(jù)通風(fēng)解析風(fēng)量為53 m3/s，在充分考慮極間通風(fēng)面積、風(fēng)阻及散熱系數(shù)等的影響下，利用磁極線圈溫升專(zhuān)用設(shè)計(jì)程序計(jì)算得出磁極線圈平均溫升為40 K。

4.2 有限元三維解析法

通過(guò)有限元解析得到了磁極三維溫度分布圖。

（1）計(jì)算模型

假設(shè)磁極與磁軛之間沒(méi)有熱傳遞，此時(shí)只需建立磁極模型，其與磁軛接觸面為絕熱面。另外，根據(jù)轉(zhuǎn)子各磁極結(jié)構(gòu)相同，且單個(gè)磁極在軸向上關(guān)于發(fā)電機(jī)中心對(duì)稱(chēng)，可以取一只磁極軸向長(zhǎng)度上的一半進(jìn)行分析，具體模型如圖4所示，采用六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格如圖5所示。

圖4 磁極模型圖

圖5 整體網(wǎng)絡(luò)劃分

（2）解析結(jié)果

磁極整體溫度場(chǎng)分布，如圖6所示。

圖6 溫度場(chǎng)分布（左：內(nèi)徑側(cè)視圖；右：外徑側(cè)視圖）

由圖6可知，磁極線圈上、下端部溫度較低，由兩端向中心溫度逐漸升高，磁極線圈最高溫度79℃，磁極各部分溫度分布合理。

改造前后主要參數(shù)對(duì)比如表4所示。

表4 改造前后主要參數(shù)對(duì)比

5 阻尼條溫度校核

發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，由于高次齒諧波和不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行的影響，在阻尼條中會(huì)產(chǎn)生電流，電流過(guò)大時(shí)，容易燒損阻尼條，因?yàn)樽枘釛l根數(shù)較改造前減少了2根，由7根減少至5根，因此必須對(duì)阻尼條的溫度進(jìn)行校核確認(rèn)。

阻尼條電流是通過(guò)氣隙間的磁動(dòng)勢(shì)（電樞磁動(dòng)勢(shì)、勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)及阻尼條磁動(dòng)勢(shì)）和氣隙部分的磁導(dǎo)率的乘積計(jì)算磁通分布，求出由磁通與阻尼條鏈接發(fā)生的誘導(dǎo)電動(dòng)勢(shì)，并根據(jù)矩陣法計(jì)算得出。再考慮磁極表面損耗、磁極線圈損耗的疊加影響，利用熱回路網(wǎng)絡(luò)法求出阻尼條的溫度，因?yàn)橛?jì)算過(guò)程極其復(fù)雜，本文不作詳細(xì)敘述。

根據(jù)上述方法，環(huán)境溫度40℃，分別計(jì)算得出發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行工況、I2/IN=12%運(yùn)行工況、(I2/IN)2 t≤40 s的短時(shí)運(yùn)行工況時(shí)的阻尼條溫度，詳細(xì)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 各工況阻尼條溫度

由表5可知，發(fā)電機(jī)各運(yùn)行工況下，阻尼條溫度均遠(yuǎn)小于允許的300℃，阻尼條設(shè)計(jì)可以滿(mǎn)足發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行要求。

6 改造后磁極剛強(qiáng)度校核

因?qū)Υ艠O鐵心進(jìn)行了改造，所以需對(duì)磁極鐵心沖片與磁極端板的強(qiáng)度進(jìn)行校核，數(shù)據(jù)見(jiàn)表6，結(jié)果滿(mǎn)足要求。

表6 磁極剛強(qiáng)度校核

7 結(jié)論

按照通風(fēng)解析得出的風(fēng)量53m3/s，通過(guò)將磁極銅排截面改為帶散熱翅的結(jié)構(gòu)、磁極線圈增加一匝以及若干降低勵(lì)磁電流的方法，從表4參數(shù)對(duì)比中可以看出，額定勵(lì)磁電壓、額定勵(lì)磁電流、磁極線圈電流密度以及磁極線圈損耗較原設(shè)計(jì)均有明顯改善，磁極線圈溫升大幅下降。

冷風(fēng)溫度按40℃計(jì)算，熱回路網(wǎng)絡(luò)法磁極線圈溫升設(shè)計(jì)值為40 K，有限元三維解析法最高溫升為39 K，2種方法得出的結(jié)果幾乎一致，且滿(mǎn)足合同要求值不超過(guò)80 K，因此，該改造方案是可行的。

通過(guò)本文介紹的原因分析及改造方案，希望可以為處理類(lèi)似的事件提供一些幫助。