水輪發(fā)電機溫升計算研究

靳永衛(wèi)

（浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江 臺州 317300）

水輪發(fā)電機的運行是一個包含著電磁場、流體場、溫度場和應力場等多種物理場的復雜過程，而且這些物理場之間相互影響、相互制約。通常情況下，設計人員通過較為合理的設計，使得各物理量間達到一種平衡狀態(tài)，從而電機可以正常運行。然而水輪發(fā)電機運行的可靠性是對其正常運行的重要考核指標，發(fā)電機的可靠性又主要體現(xiàn)在運行過程中的溫升問題，也就是內(nèi)部溫度場的分布問題。其分布的不合理，會產(chǎn)生諸多的問題，如溫升過高，會導致絕緣的損壞，包括絕緣的分層、脫殼、老化等，從而使絕緣的電氣性能下降這些問題在水輪發(fā)電機運行時不易發(fā)現(xiàn)，但是最終會引發(fā)電機內(nèi)部的各種放電、短路故障，造成水輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)上的損壞，最終導致水輪發(fā)電機的故障，直接影響電站的可靠、經(jīng)濟運行。

隨著水輪發(fā)電機單機容量的不斷增加，水輪發(fā)電機熱負荷也相應提高，從而引起發(fā)電機各個部分溫度升高，直接影響電機的使用壽命和運行的可靠性，因此對于水輪發(fā)電機的發(fā)熱和冷卻問題的研究顯得日益重要，已經(jīng)成為當前水輪發(fā)電機設計過程中最重要的問題之一。

1 發(fā)電機溫升計算的作用

發(fā)電機在運行時，由于各種損耗的存在，將使發(fā)電機的定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組及鐵芯發(fā)熱而導致發(fā)電機溫度升高。如果各部溫度超過了絕緣材料的允許工作溫度，就會使絕緣老化加快，從而大大縮短發(fā)電機的使用壽命。

發(fā)電機的溫升計算，就是為了了解發(fā)電機在帶負荷運行時，各部分溫度的可能變化情況，從而能將其控制在限額以內(nèi)，保證發(fā)電機的安全可靠運行。

溫升計算的意義如下：

（1）了解發(fā)電機在額定狀態(tài)下運行時，發(fā)電機的額定負荷能力和過載能力；

（2）繪制發(fā)電機在允許的電壓變動范圍內(nèi)，及不同冷卻介質(zhì)溫度時的極限工作能力曲線，從而為發(fā)電機在非正常情況下的運行提供依據(jù)；

（3）研究發(fā)電機各部分溫度與最高發(fā)熱點溫度的關(guān)系，為評價和改進發(fā)電機結(jié)構(gòu)及通風冷卻系統(tǒng)提供依據(jù)；

（4）測定定子繞組絕緣熱降，研究絕緣熱降所反映的絕緣老化情況；

（5）確定繞組平均溫度、最高發(fā)熱點溫度和測溫計反映的溫度之間的關(guān)系，研究準確監(jiān)視測量繞組溫度的方法。

2 發(fā)電機溫升計算研究方法

大型電機在國民生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用，國內(nèi)外很多學者對其通風冷卻以及溫度場的計算進行了大量卓有成效的研究工作，但是大型電機的通風冷卻的研究涉及到電磁學、流體力學、傳熱學和數(shù)值計算方法等多學科的理論，因此對于大型電機的通風冷卻研究的進步必定建立在這些學科理論的進步基礎之上。在水輪發(fā)電機的設計過程中，溫升計算是設計的主要內(nèi)容之一，它直接關(guān)系到電機的出力、效率等性能和經(jīng)濟技術(shù)指標，同時也影響到電機的使用壽命和運行的可靠性準確地溫升計算不僅是制造廠家多年來尋求的目標，也是電機運行部門關(guān)注的重要問題之一。目前，溫升計算的主要方法有簡化公式法、等效熱路法和溫度場法。

（1）簡化公式法。簡化公式法是假定全部鐵心損耗及有效部分銅耗只通過定子(或轉(zhuǎn)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)相同或相似的電機溫升試驗結(jié)果確定的，因此計算結(jié)果比較接近于實際,這種方法的優(yōu)點是計算簡單，因此易于被工廠接受，缺點是不太精確，不夠完整，只能計算出電機的平均溫升，不能滿足日益提高的設計工作的需要。

（2）等效熱路法。等效熱路法是根據(jù)傳熱學和電路理論來形成等效熱路，熱路圖中的熱源為繞組的銅損耗(槽部、端部)，鐵損耗(齒部、扼部)，這些損耗所在部件在計算時被認為是均質(zhì)的。損耗熱量通過各種相應的熱阻，由熱源向冷卻介質(zhì)傳遞，形成一個復雜的熱網(wǎng)絡采用電路網(wǎng)絡中基爾霍夫定律來列出全部熱平衡方程，然后用求解線性電路的方法，計算電機各有效部分的平均溫升。此方法計算精度比簡化公式法高，能夠得到電機總體溫升和平均溫升如果要提高計算精度，必需增加網(wǎng)絡節(jié)點和熱阻數(shù)，但這使工作量大大增加，從而失去其計算工作量小等優(yōu)點。

國外有專家早在1955年就在AIEE上發(fā)表用熱路法預測鑄鋁鼠籠電動機的瞬態(tài)停車溫度的文章由于該方法計算的結(jié)果是從整體出發(fā)，得到總體溫度和溫升，因此，預測平均溫度相當準確，但不能預測最熱點溫度。不過由于計算簡單，便于手算，加之多年的經(jīng)驗，計算結(jié)果總的來說基本上是符合實際，所以一直沿用至今。Y.Guo等人在2005年針對帶有軟磁復合定子的爪極永磁電機的具體特點，采用集總和分布參數(shù)混合方式以準確計算各部分的鐵心損耗，從而進行電機的熱分析。

（3）溫度場法。溫度場法是用現(xiàn)代數(shù)值方法來求解熱傳導方程，也就是將求解區(qū)域離散成許多小單元，在每個單元中建立方程，再對總體方程組進行求解。由此可見，溫度場法將研究對象從宏觀轉(zhuǎn)為微觀，從總體轉(zhuǎn)到局部單元，求得每一點的溫度和溫升，對整個計算區(qū)域中的每個局部單元都能獲得可靠的計算數(shù)據(jù)，從而更加準確、合理地指導對電機的設計。1974年，A.N.鮑里先科等人給出了用電子計算機求解溫度場的一些方法和實例。

對電機溫升的計算中，等效熱路法是基于場路結(jié)合的思想有限差分法、有限元法和有限體積元法才是實際意義上溫度場的數(shù)值計算方法，意大利學者G.Cannistra于1991年針對深槽鼠籠異步電機分別采用熱網(wǎng)絡法(TNM)和有限元法((FEM)分別進行了分析。

有限差分法是用差分來近似代替微分，把求解域內(nèi)的偏微分方程和有關(guān)的邊界條件，化成適用于區(qū)域內(nèi)部和邊界上各個節(jié)點處的差分方程組，然后用古典方法或計算機來求解聯(lián)立的差分方程組。北京計算中心曹國宣用有限差分法計算了水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子溫度場；2000年張新波、許承千進行了電機溫度場與電機空氣溫度場的偶合計算。

但由于有限差分法采用的是直交網(wǎng)格，該方法較難適應區(qū)域形狀的任意性，而且區(qū)分不出場函數(shù)在區(qū)域中輕重緩急之差異，對于復雜的二類邊界條件及內(nèi)部介質(zhì)界面的處理比較困難，宜于求解邊界比較規(guī)則的電機溫度場問題。

有限元法是R.Courant于1943年首先提出，20世紀50年代由航空結(jié)構(gòu)工程師們所發(fā)展，隨后逐漸波及到土木結(jié)構(gòu)工程，到了20世紀60年代，在一切連續(xù)領(lǐng)域，都愈來愈廣泛的得到應用。與差分法相比，具有剖分靈活的特點，對于復雜的幾何形狀，邊界條件、不均勻的材料特性、場梯度變化較大的場合，都能靈活地加以考慮，通用性強故用有限元求解溫度場，可以求出場域內(nèi)各點的溫度值，從而更準確地描述整個求解域內(nèi)溫度的分布。

1996年孔祥春等人進行了水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子中部最熱段三維溫度場的有限元計算。2005年陳琳、姚若萍等人采用有限元法結(jié)合流場分析對軸向通風冷卻電機的轉(zhuǎn)子溫度進行了研究。由于有限元法在溫度場求解方面的優(yōu)點，當前仍然是電機溫度場求解的主要方法之一。

3 結(jié)語

電機的發(fā)熱與冷卻的研究始終是電機學科永恒的話題，對于大型發(fā)電機更是顯得尤為重要。電機的發(fā)熱與冷卻屬于流體力學、傳熱學、電磁學和電機工程等學科的綜合研究，也是邊緣學科，迄今為止，國內(nèi)外在這方面所做的工作還不多。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，使得大型水輪發(fā)電機流體場、溫度場、電磁場、機械應力、各種電磁機械參數(shù)分析計算得以更加詳細深入，可以根據(jù)理論計算，進一步降低發(fā)電機內(nèi)部雜散損耗的設計結(jié)構(gòu)，降低發(fā)電機的事故率、提高可靠性等。

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