空心股線堵塞程度對發(fā)電機定子線棒溫度場的影響

雷一鳴，張 莉

(1.上海電力學院，上海 200090;2.陽江核電有限公司，廣東陽江 529500)

大型發(fā)電機是發(fā)電廠的核心設(shè)備之一，所擔負的安全責任巨大.目前，發(fā)電機存在的主要問題是定子“超溫”，這種超溫現(xiàn)象隨著發(fā)電機容量的增大而越來越明顯，給發(fā)電廠的穩(wěn)定運行帶來較大的安全隱患.

引起定子超溫的主要原因是由于發(fā)電機定子線棒空心股線的堵塞，導致發(fā)電機運行時產(chǎn)生的熱量無法被及時帶走［1］.而外部引入異物、氣堵和汽堵、或銅線的腐蝕產(chǎn)物等都是造成空心股線堵塞的常見原因［2-4］.當發(fā)生堵塞情況時，空心股線的冷卻水流通面積就會減小，致使冷卻水流量下降，定子線棒溫度隨之升高.當然，空心股線堵塞的程度不同，對定子線棒內(nèi)溫度場分布的影響也會不同.在當前的溫度監(jiān)測技術(shù)還無法提供線棒詳細溫度場分布的情況下［5-9］，采用數(shù)值計算的方法分析空心股線的堵塞程度對定子線棒溫度場的影響，對于幫助設(shè)計、運行人員了解定子線棒內(nèi)的溫度分布狀況，從而對發(fā)電機的設(shè)計制造、在線監(jiān)測、過熱檢測和空心股線堵塞的早期診斷都是十分必要的.本文主要討論單根空心股線不同程度堵塞時對定子線棒溫度場分布的影響.

1 定子線棒的物理和傳熱模型

1.1 定子線棒的物理模型

水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機定子線棒是由空心銅導線和實心銅導線組合排列而成，銅導線間通過股間絕緣、排間絕緣和主絕緣達到絕緣目的.在發(fā)電機工作時，電流流過銅股線產(chǎn)生損耗，以發(fā)熱的形式表現(xiàn)出來.與此同時，絕大部分的熱損被空心股線中流過的冷卻水帶走.此外，隨著空心股線內(nèi)冷卻水的溫度變化，沿著軸線方向上的定子線棒的溫度也在變化.

1.2 定子線棒的傳熱模型

為了便于求解，在建立線棒的傳熱模型時，作如下假定:

(1)空心股線未堵塞時，冷卻水對空心股線的冷卻可視為第3類邊界條件，但當空心股線因堵塞導致冷卻水無法流通時，在空心股線內(nèi)邊界上的第3類邊界條件轉(zhuǎn)化成內(nèi)部區(qū)域;

(2)忽略主絕緣邊界的散熱，假定為絕熱邊界;

(3)忽略線棒端部的散熱，假設(shè)線棒的兩個軸向端面絕熱;

(4)忽略定子線棒股線間的羅貝爾換位;

(5)認為渦流效應(yīng)對每根股線的影響相同.

結(jié)合定子線棒的物理模型，根據(jù)傳熱學知識［10］，當發(fā)電機穩(wěn)定在某一個工況下運行時，定子線棒內(nèi)溫度場的求解問題是一個帶內(nèi)熱源、四周絕熱、內(nèi)部包含第3類邊界條件的三維穩(wěn)態(tài)導熱問題，求解定子線棒三維穩(wěn)態(tài)溫度場的數(shù)學模型為［10］.

式中:T——定子線棒溫度;

λ——不同材質(zhì)物體的導熱系數(shù);˙

φ——銅心股線上的熱源強度;

s1——主絕緣的外邊界;

s2——空心股線的內(nèi)邊界;

?T/?n——沿邊界法向的溫度變化率.

2 計算對象及計算模型的確定

2.1 計算對象的各項數(shù)值

選取某600 MW發(fā)電機定子繞組中的1根下層線棒作為研究對象.該定子線棒由16根空心銅導線和32根實心銅導線組成，分為4排，每排又分為4組，每組由1根空心銅導線和2根實心銅導線組成.空心線按4×4排列，尺寸為4.7mm×7.5mm，壁厚1.35mm，實心線按 4 ×8 排列，尺寸為2.24mm ×7.5mm，軸向長度6.3 m.該型號發(fā)電機的額定值如表1所示.

表1 某600MW汽輪發(fā)電機的額定值

2.2 計算模型中的有關(guān)參數(shù)

(1)內(nèi)熱源 發(fā)電機內(nèi)的熱源包括電機運行時產(chǎn)生的機械損耗、電損耗、磁損耗，以及各種附加損耗等，對其溫度分布影響起主要作用的是電損耗.電損耗是由電流流過定子線棒時產(chǎn)生的，即定子線棒的銅損耗.

(2)空心股線內(nèi)冷卻水流量 根據(jù)流體力學中的并聯(lián)管路理論，當空心股線通流正常時，總進水管流入的冷卻水總流量在所有空心股線中平均分配.當某根空心股線完全堵塞時，并聯(lián)的冷卻水路數(shù)目減少，冷卻水流量在剩余未被堵塞的空心股線中平均分配.當某根空心股線部分堵塞時，堵塞的空心股線中的冷卻水流量根據(jù)堵塞程度會相應(yīng)減小，其余未被堵塞的空心股線水流量是剩余冷卻水流量的平均分配.

(3)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 空心股線內(nèi)冷卻水帶走熱量的傳熱過程屬于管內(nèi)強制對流換熱，其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可利用實驗關(guān)聯(lián)式計算得出.

(4)冷卻水溫 由于冷卻水隨流動不斷升溫，因此式(1)中的冷卻水溫沿軸向發(fā)生變化.冷卻水的入口溫度按照設(shè)計工況取為42℃，考慮到冷卻水溫度與線棒銅線溫度的耦合，經(jīng)公式推導可得出軸向局部冷卻水溫度表達式.

(5)不同介質(zhì)導熱系數(shù) 在發(fā)電機定子線棒內(nèi)存在主絕緣、股間絕緣、銅導線和排間絕緣4種介質(zhì).大中型高壓發(fā)電機采用少膠云母帶作為主絕緣;股間絕緣的主要成分是薄層玻璃纖維;定子線棒所用銅為2號純銅;通常用浸漬聚酯樹脂的滌綸氈作為排間絕緣，屬于F級多膠玻璃粉云母板材料.以上幾種介質(zhì)導熱系數(shù)都可以通過查詢相關(guān)圖表獲得.

3 計算結(jié)果與分析

在Ansys軟件平臺上采用有限元法，對所選取的某600 MW發(fā)電機定子繞組下層線棒的整體溫度場分布進行數(shù)值模擬，分別對空心股線未堵塞和單根空心股線發(fā)生部分堵塞等多種情況進行研究.定子線棒三維造型示意如圖1所示.對該線棒中空心股線在正視圖視角下進行編號，如圖2所示.其中，假定發(fā)生部分堵塞的空心股線為B2.

圖1 定子線棒三維造型

圖2 空心股線編號示意

圖3為空心股線未堵塞時定子線棒的溫度分布.由圖3可知，整個線棒的溫度沿軸向是不斷升高的，實心銅股線密集的區(qū)域，溫度普遍較高.而空心股線內(nèi)流通冷卻水，提供了良好的散熱環(huán)境，溫度相對較低.

圖3 股線未堵塞時定子線棒的溫度分布

每個軸向截面并不是等溫分布的，不同介質(zhì)處在不同的溫度范圍.提取溫度場的數(shù)值計算結(jié)果可知，定子線棒溫度的最高值出現(xiàn)在線棒的出口實心銅股線之間的絕緣處，為74.266℃，出水溫度為62.853℃，符合該機組發(fā)電機定子線圈各槽出口溫度及匯水管總出水溫度均不大于73℃，發(fā)電機定子線圈槽內(nèi)層間溫度不得大于120℃的規(guī)定.600 MW汽輪發(fā)電機額定負載工況下線棒出水溫度約為60℃，與本文計算所得結(jié)果基本一致，說明發(fā)電機正常穩(wěn)態(tài)時的定子溫度模型和計算方法是正確的.

圖4給出了B2完全堵塞時定子線棒的溫度分布.當B2空心股線發(fā)生堵塞時，其局部溫度高于其他股線;出口截面存 在線棒的最熱點，位置也位于堵塞處附近的絕緣內(nèi)部，溫度甚至高達近100℃.

圖4 B2股線完全堵塞時定子線棒的溫度分布

對B2空心股線在不同堵塞程度下進行計算和分析，計算中涉及的參數(shù)如表2所示.

圖5為位于發(fā)生部分堵塞的B2空心股線中某點的溫度.由圖5可以看出，空心股線部分堵塞時，線棒的溫度與空心股線的堵塞程度有關(guān)，即與空心股線的堵塞系數(shù)有關(guān).堵塞系數(shù)越大，溫度越高.空心股線發(fā)生部分堵塞時，冷卻水可以在股線內(nèi)流動，此時仍能發(fā)生對流換熱，具備一定的冷卻能力，因此該股線溫度略有升高.一旦完全堵塞，該股線的溫度急劇升高20℃，并燒壞相鄰絕緣.

表2 B2空心股線部分堵塞時的相關(guān)參數(shù)

圖5 堵塞程度不同時B2空心股線中某點的溫度

圖6為不同堵塞系數(shù)下B2空心股線中最熱點的溫差.由圖6可知，堵塞系數(shù)從0.6增大到0.7時，該空心股線的最高溫度的增長速率變大.這是由于堵塞空心股線內(nèi)水的局部阻力系數(shù)從87增加到309，導致?lián)Q熱系數(shù)減小，空心股線內(nèi)冷卻水的換熱能力開始急劇下降.因此，要密切監(jiān)視各檢溫計的數(shù)值變化，在溫升有小幅提高的時候進行重點監(jiān)控，以防止空心股線的堵塞系數(shù)增大到0.7，造成不必要的經(jīng)濟損失.

圖7為與發(fā)生部分堵塞的空心股線相鄰的實心股線的溫度變化.

圖6 不同堵塞系數(shù)下B2中最熱點的溫差

由圖7可知，發(fā)生堵塞時，該實心股線溫度升高，且溫升與堵塞程度有關(guān).當堵塞系數(shù)為0.7時，該實心股線溫度比正常情況高5℃.通過對其他數(shù)據(jù)的研究發(fā)現(xiàn)，當主絕緣附近的空心股線發(fā)生部分堵塞時，其本身溫升較高.當空心股線發(fā)生部分堵塞時，定子線棒中的水路流通受到影響，管內(nèi)冷卻水流速降低，散熱能力下降，迫使內(nèi)熱源產(chǎn)生的部分熱量傳遞給冷卻水，以及臨近的絕緣材料和實心股線，加速了絕緣的老化，影響了實心股線的溫升，嚴重時還會燒壞絕緣，引發(fā)定子線棒短路等故障，甚至危及鐵心，造成巨大的經(jīng)濟損失.

圖7 B2堵塞程度不同時相鄰實心股線的溫度分布

圖8為不同程度堵塞系數(shù)下主絕緣最熱點的溫差.

圖8 不同程度堵塞系數(shù)下主絕緣最熱點的溫差

通過對溫度場的數(shù)值計算，堵塞系數(shù)為0.2時，得到主絕緣的最熱點溫度為74.012℃;堵塞系數(shù)為0.4時，主絕緣最熱點溫度為72.899℃;堵塞系數(shù)為0.7時，主絕緣最熱點溫度為74.016℃.結(jié)合圖8分析可知，主絕緣最熱點的溫度并沒有隨著堵塞系數(shù)的增大而增大，在堵塞系數(shù)為0.4，0.5，0.6 時，主絕緣最熱點溫度反而下降了約1.113℃.分析其原因可知，當空心股線發(fā)生不同程度堵塞時，冷卻水流量被重新進行分配，未發(fā)生堵塞的空心股線內(nèi)流速略微提高，使水銅的換熱系數(shù)增大，散熱能力提高，主絕緣溫度下降.

4 結(jié)語

本文建立了發(fā)電機定子線棒穩(wěn)態(tài)三維溫度場計算模型，以某臺600 MW 汽輪發(fā)電機的定子下層線棒為研究對象，應(yīng)用有限元法計算了某一根空心股線發(fā)生部分堵塞時的溫度場分布，分析了不同堵塞程度對溫度場的影響.研究表明，當空心股線發(fā)生部分堵塞時，該股線溫度與堵塞系數(shù)有關(guān)，堵塞系數(shù)越大，溫度越高;堵塞系數(shù)有臨界值，超過此值時會導致空心股線內(nèi)冷卻水的換熱能力急劇下降，造成嚴重后果;在定子線棒內(nèi)部并不是所有部位的溫度均有提高，由于冷卻水流量被重新分配，局部水銅換熱系數(shù)稍有增大，反而會使線棒內(nèi)部某些部位的溫度較正常時略低.

［1］ 李培元.發(fā)電機冷卻介質(zhì)及其監(jiān)督［M］.北京:中國電力出版社，2008:37-68.

［2］ 彭發(fā)榮，彭宏志.水內(nèi)冷發(fā)電機定子水冷卻回路堵塞的缺陷處理［J］.寧夏電力，2010(5):40-42.

［3］ 傅自清.大型汽輪發(fā)電機并聯(lián)環(huán)和主引線水路故障分析和預(yù)防［J］.中國電力，2007，40(8):66-71.

［4］ 孫本達，馬智敬.超超臨界機組發(fā)電機內(nèi)冷卻水運行中存在的問題及處理［J］.熱力發(fā)電，2009，38(1):96-98.

［5］ 李德基，白亞民.用熱路法計算汽輪發(fā)電機定子槽部三維溫度場［J］.中國電機工程學報，1986，6(6):36-45.

［6］ 許伯強，李和明，朱凌，等.發(fā)電機定轉(zhuǎn)子繞組溫度在線監(jiān)測新方法［J］.電力系統(tǒng)自動化，2002，26(1):35-38.

［7］ 李俊卿，李和明.基于狀態(tài)監(jiān)測的汽輪發(fā)電機定子鐵心溫度標準值的確定［J］.中國電機工程學報，2004，24(3):156-160.

［8］ 陳勇強，劉開培，何志敏.發(fā)電機定子溫度在線監(jiān)測與自動預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計［J］.電力自動化設(shè)備，2009，29(1):111-114.

［9］ 劉振興，尹項根，張哲，等.300 MW 汽輪發(fā)電機定子繞組溫度在線監(jiān)測與故障診斷［J］.電力系統(tǒng)自動化，2002，26(5):1-4.

［10］ 楊世明，陶文銓.傳熱學［M］.北京:高等教育出版社，1988:25-28.