大型水輪發(fā)電機(jī)定子匯流環(huán)的結(jié)構(gòu)布局及其影響淺析

賈敬禮，覃國(guó)茂

（向家壩水力發(fā)電廠，四川 宜賓 644612）

1 引言

隨著機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大，發(fā)電機(jī)定子匯流環(huán)的結(jié)構(gòu)以及布置方式也出現(xiàn)了多種形式，不同結(jié)構(gòu)和布局的匯流環(huán)設(shè)計(jì)勢(shì)必會(huì)對(duì)匯流環(huán)自身的受力和發(fā)熱產(chǎn)生不同的影響。本文針對(duì)三峽電廠和向家壩電廠幾種典型機(jī)型的匯流環(huán)結(jié)構(gòu)，從受力和發(fā)熱這兩個(gè)角度做簡(jiǎn)單的分析介紹。

2 發(fā)電機(jī)匯流環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局對(duì)匯流環(huán)的影響關(guān)系

2.1 發(fā)電機(jī)匯流環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局對(duì)匯流環(huán)受力的影響

發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)行過程中，由于匯流環(huán)通常為整圓布置，在發(fā)電機(jī)圓周任意截面上，同時(shí)存在多根匯流環(huán)。匯流環(huán)中存在有正弦交流電，因此任一位置匯流環(huán)所處的磁場(chǎng)都是由其他相鄰匯流環(huán)交變電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)以及定子繞組雜散磁場(chǎng)構(gòu)成的一個(gè)合成磁場(chǎng)，這樣機(jī)組在正常運(yùn)行的情況下，流過交流電的匯流環(huán)就會(huì)在合成磁場(chǎng)的作用下，受到電磁力的作用。

同樣當(dāng)與發(fā)電機(jī)相連接的電力系統(tǒng)設(shè)備（包括出口母線、變壓器和高壓輸電系統(tǒng)）發(fā)生故障，或者發(fā)電機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)絕緣故障產(chǎn)生突然短路時(shí)，定子繞組以及匯流環(huán)中會(huì)出現(xiàn)很大的沖擊電流，其峰值可能達(dá)到額定電流的幾十倍，會(huì)在匯流環(huán)內(nèi)產(chǎn)生很大的電磁沖擊力。因此，不同的匯流環(huán)結(jié)構(gòu)和布局必定會(huì)對(duì)各個(gè)位置發(fā)電機(jī)匯流環(huán)的受力情況產(chǎn)生不同的影響。

2.2 發(fā)電機(jī)匯流環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局對(duì)匯流環(huán)發(fā)熱的影響

發(fā)電機(jī)無論是在正常運(yùn)行過程中，還是在故障狀況下，匯流環(huán)都會(huì)有一定的損耗，從而引起銅環(huán)發(fā)熱。再加之有集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的存在，匯流環(huán)的布局又會(huì)對(duì)不同位置匯流環(huán)中的電流密度產(chǎn)生不同影響；另外對(duì)于全空冷水輪發(fā)電機(jī)組而言，匯流環(huán)的冷卻主要依靠無風(fēng)扇磁軛通風(fēng)系統(tǒng)（全空冷）來實(shí)現(xiàn)（如圖1所示），因此，不同的匯流環(huán)布置也勢(shì)必對(duì)發(fā)電機(jī)匯流環(huán)的冷卻效果產(chǎn)生不同的影響。

圖1 發(fā)電機(jī)無風(fēng)扇磁軛通風(fēng)冷卻系統(tǒng)

3 發(fā)電機(jī)不同狀況下的匯流環(huán)受力以及發(fā)熱計(jì)算

為了能夠更加清楚的掌握不同狀況下，不同匯流環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)其匯流環(huán)的受力和發(fā)熱情況，發(fā)電機(jī)在設(shè)計(jì)過程中需要對(duì)匯流環(huán)進(jìn)行量化的計(jì)算，下面就具體的計(jì)算方法做簡(jiǎn)單的介紹。

匯流環(huán)的布局不同，其每一根銅環(huán)所受到的電磁力的大小和方向均不同，對(duì)匯流環(huán)受力的計(jì)算，通常采用有限元數(shù)值方法進(jìn)行計(jì)算分析。由于匯流環(huán)布置復(fù)雜，若對(duì)每一種布置、每一根銅環(huán)都分別進(jìn)行有限元計(jì)算，工作量十分龐大，很難實(shí)現(xiàn)。為了簡(jiǎn)化計(jì)算而不影響計(jì)算結(jié)果，通常先利用解析的方法對(duì)每種布置情況的每根銅環(huán)受力進(jìn)行計(jì)算，以確定受力最大的單根銅環(huán)及其受力點(diǎn)位置，再通過有限元的方法就能夠準(zhǔn)確的計(jì)算出該銅環(huán)所受的最大電磁力。

對(duì)于匯流環(huán)的發(fā)熱計(jì)算，主要取決于導(dǎo)體損耗、導(dǎo)體外形尺寸、集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)系數(shù)，風(fēng)速等諸多因素。在水輪發(fā)電機(jī)組以及其它大電流設(shè)備中，引出線往往采用多根導(dǎo)線平行排列，每根導(dǎo)線截面中的電流密度分布不僅由于其本身電流的作用會(huì)出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，同時(shí)還會(huì)因在鄰近空間有其它導(dǎo)線存在以及其中的電流作用而進(jìn)一步改變其分布。前者由于本身電流而引起的電流密度分布不均勻現(xiàn)象，稱為集膚效應(yīng)，后者稱為鄰近效應(yīng)。在水輪發(fā)電機(jī)組匯流環(huán)發(fā)熱計(jì)算中，常用集膚效應(yīng)系數(shù)和鄰近效應(yīng)系數(shù)來計(jì)及上述兩種效應(yīng)所引起的損耗的增加。一般情況下匯流環(huán)中最大的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)系數(shù)經(jīng)常發(fā)現(xiàn)是在匯流環(huán)較多的軸向中間位置，再通過采用局部熱網(wǎng)絡(luò)計(jì)算方法，從而獲得匯流環(huán)表面熱負(fù)荷和匯流環(huán)銅溫升。

檢查者位于嬰兒左側(cè)，手法必須溫柔，左手置于右肋緣下腹直肌外緣處，以食指和無名指按壓腹直肌，用中指指端輕輕向深部按摸，可觸到橄欖形、光滑質(zhì)硬的幽門腫塊，1～2cm大小。在嘔吐之后胃空虛且腹肌暫時(shí)松弛時(shí)易于捫及。偶爾肝臟的尾葉或右腎被誤診為幽門腫塊。但在腹肌不松弛或胃擴(kuò)張時(shí)可能捫不到，可等胃排空后，邊喂糖水邊檢查。

4 幾種典型機(jī)型的銅環(huán)受力以及發(fā)熱的計(jì)算情況

4.1 受力計(jì)算

4.1.1 向家壩HEC（哈電）機(jī)組銅環(huán)受力計(jì)算

向家壩HEC機(jī)組發(fā)電機(jī)定子繞組采用每相8支路并聯(lián)的方式，三相Y連接，匯流環(huán)主要采用每層三環(huán)，總計(jì)8層的匯流銅管布置方式，如圖2：

圖2 向家壩HEC發(fā)電機(jī)定子匯流銅環(huán)的布置方式

根據(jù)匯流環(huán)受力的計(jì)算方法，其計(jì)算結(jié)果如表1所示：

表1 向家壩HEC機(jī)組銅環(huán)受力統(tǒng)計(jì)表

從表1中的計(jì)算結(jié)果中我們可以看到，匯流環(huán)受力最大的位置位于圖2中31截面，即位于發(fā)電機(jī)主引線匯流環(huán)比較密集的地帶，且在機(jī)組發(fā)生180°誤同期的工況下該處銅環(huán)受到的電磁力最大，最大為12 360 N/m。

4.1.2 三峽地下電站DEC（東電）機(jī)組銅環(huán)受力計(jì)算

三峽地下電站DEC機(jī)組發(fā)電機(jī)定子繞組采用每相5支路并聯(lián)的方式，三相Y連接，匯流環(huán)主要采用每層一環(huán)，總計(jì)8層（主引出線位置有10層）的匯流環(huán)布置方式，如下圖3：

圖3 三峽地下電站DEC發(fā)電機(jī)定子匯流環(huán)布置方式

根據(jù)發(fā)電機(jī)引出線的空間布置，同樣取引出線較為集中截面，建立有限元模型，再根據(jù)引出線的不同相位進(jìn)行電流的加載，直接得到不同引出線的總損耗。根據(jù)不同短路故障的電流峰值，采用解析法對(duì)匯流環(huán)受力進(jìn)行分析計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果如表2所示：

表2 三峽地下電站DEC機(jī)組短路故障下單位長(zhǎng)度銅環(huán)受力（N/m，最大容量方案）

4.2 銅環(huán)發(fā)熱計(jì)算

4.2.1 三峽地下電站DEC機(jī)組匯流環(huán)溫升計(jì)算

三峽地下電站DEC機(jī)組匯流環(huán)溫度分布見圖4，空氣流動(dòng)矢量見圖5，從圖4、圖5中我們可以清楚的看到，不同位置銅環(huán)的溫度分布以及在機(jī)組運(yùn)行情況下，冷卻空氣通過匯流環(huán)的一個(gè)流動(dòng)矢量圖。由于匯流環(huán)上部的通風(fēng)效果比較好，冷卻空氣帶走的熱量比較多，因此匯流環(huán)上部的溫度較低。反之匯流環(huán)下部通風(fēng)效果差，其溫度就大大升高了。

圖4 銅環(huán)溫度分布圖

圖5 空氣流動(dòng)矢量圖

因此需要對(duì)匯流環(huán)布局比較密集且通風(fēng)不暢位置，進(jìn)行具體的溫度計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果如表3所示：

從計(jì)算結(jié)果看，匯流環(huán)最高銅溫為109℃，絕緣表面平均溫度為87℃，溫升47 K，均出現(xiàn)在匯流環(huán)布局比較密集且通風(fēng)不暢的最下層銅環(huán)上。

4.2.2 向家壩HEC機(jī)組匯流環(huán)溫升計(jì)算

向家壩HEC機(jī)組發(fā)電機(jī)定子匯流環(huán)布置見圖1，通過先計(jì)算出集膚效應(yīng)系數(shù)和鄰擾效應(yīng)系數(shù)這兩個(gè)系數(shù)，然后在這兩個(gè)系數(shù)的基礎(chǔ)上即可求出銅環(huán)的交流電密，交流電阻，從而獲得銅環(huán)表面熱負(fù)荷和銅環(huán)銅溫升，最終計(jì)算獲得向家壩水輪發(fā)電機(jī)定子銅環(huán)銅溫度為95.11℃。

4.2.3 向家壩TAH機(jī)組匯流環(huán)溫升計(jì)算

向家壩TAH機(jī)組發(fā)電機(jī)定子繞組采用每相7支路并聯(lián)的方式，三相Y連接，匯流銅環(huán)主要采用每層2環(huán)，總計(jì)7層（主引出線位置有8層）的匯流環(huán)布置方式，如圖6所示：

圖6 向家壩TAH機(jī)組匯流環(huán)布置及磁場(chǎng)和相別分布

通過有限元法計(jì)算出機(jī)組最大的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)系數(shù)在截面3的導(dǎo)體V2上(見圖6、7).銅環(huán)引線的溫升計(jì)算是采用局部熱網(wǎng)絡(luò)計(jì)算方法。導(dǎo)體處切向的熱流忽略不計(jì)。計(jì)算結(jié)果取決于導(dǎo)體損耗、導(dǎo)體外形尺寸、肌膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)系數(shù)（有限元計(jì)算）、風(fēng)速。銅環(huán)處的風(fēng)速主要取決于上端轉(zhuǎn)子支架進(jìn)風(fēng)口大小。

圖7 向家壩TAH機(jī)組匯流環(huán)布置圖

計(jì)算結(jié)果如表4所示：

表4 向家壩TAH機(jī)組匯流環(huán)發(fā)熱計(jì)算結(jié)果

通過計(jì)算可以得出,導(dǎo)體溫度主要取決于通過銅環(huán)引線的徑向風(fēng)速。向家壩機(jī)組的徑向風(fēng)速受限于轉(zhuǎn)子支架進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)阻。只有當(dāng)上端和下端路徑之間出現(xiàn)不均勻的流量分布時(shí)（NDE側(cè)風(fēng)量為200 m3/s），銅環(huán)引線才會(huì)有好的冷卻效果。

5 結(jié)語

通過上述對(duì)三峽地下電站DEC、HEC機(jī)組以及向家壩電站TAH和HEC機(jī)組發(fā)電機(jī)匯流環(huán)的受力和發(fā)熱計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，我們可以清楚的看到，不同的匯流環(huán)布置對(duì)發(fā)電機(jī)匯流環(huán)的受力和發(fā)熱有重要的影響，具體可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

（1）在匯流環(huán)布置比較密集的區(qū)域，其銅環(huán)本身的受力和發(fā)熱要遠(yuǎn)大于發(fā)電機(jī)其他區(qū)域布置的匯流環(huán)。

（2）在匯流環(huán)布置比較密集且通風(fēng)不暢的區(qū)域發(fā)電機(jī)匯流環(huán)的散熱效果不好，也會(huì)導(dǎo)致匯流環(huán)溫度過高的現(xiàn)象。

鑒于此種情況，三峽地下電廠HEC機(jī)組已分別在通風(fēng)不暢的發(fā)電機(jī)出口位置以及匯流環(huán)布置比較密集的多個(gè)地方布置了光纖測(cè)溫裝置，通過實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)來關(guān)注匯流環(huán)的發(fā)熱。另外為了能夠減少銅環(huán)由于熱脹冷縮以及電磁應(yīng)力過大而影響機(jī)組的正常運(yùn)行，在向家壩TAH機(jī)組發(fā)電機(jī)匯流環(huán)上，采用了能夠緩解匯流環(huán)受力的柔性連接。通過對(duì)發(fā)電機(jī)匯流環(huán)的發(fā)熱以及受力問題進(jìn)行研究分析，可以更好的了解發(fā)電機(jī)匯流環(huán)的一些潛在的安全隱患，從而從根本上消除了這些安全隱患，為大型發(fā)電機(jī)組的安全可靠運(yùn)行提供了有力的保障。

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