大中型汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈換位技術(shù)

稅航偉，董江偉，薛化冰，王正平，王玉芳

(1.山東濟(jì)南發(fā)電設(shè)備廠有限公司，山東濟(jì)南 250100;2.山東英才學(xué)院，山東濟(jì)南 250104)

0 引言

汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈中的附加損耗通常有兩種類型。一種是集膚效應(yīng)附加損耗，該損耗產(chǎn)生在線圈各股線內(nèi)部。采用減薄股線厚度的方法可以減少這種擠流附加損耗［1］。另一種是環(huán)流附加損耗。由于定子線圈各并聯(lián)股線在不同的磁場作用下產(chǎn)生的感應(yīng)電勢不同，因而在并聯(lián)股線回路中形成感應(yīng)電勢差。這就產(chǎn)生了循環(huán)電流造成的附加損耗。股線換位技術(shù)可以縮小并聯(lián)股線間電勢差，從而減少環(huán)流附加損耗。

換位技術(shù)是大中型汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過股線的換位，可減少線圈并聯(lián)股線環(huán)流附加損耗對定子線棒溫升的不利影響。

1 股線電勢圖

股線電勢圖法是分析并聯(lián)股線回路電勢的有效方法，與計(jì)算機(jī)有限元輔助分析法比較，結(jié)果一致且簡單方便。

股線電勢圖分析法中，定子線圈槽部和端部所處位置的磁場都可大體分為:徑向磁場(Br)、橫向自感磁場(Be)、橫向互感磁場(Bf)。各磁場分量都在相應(yīng)部位的股線里產(chǎn)生感生電勢。

本文以兩排導(dǎo)線線圈為例說明股線電勢圖。首先按比例畫出換位線棒的高度及長度。在每排中任選一根股線，畫出股線的實(shí)際位置圖。然后把任意兩根股線形成的大回路看做由數(shù)個(gè)小回路組成。分析時(shí)用箭頭示意出大回路的走向。當(dāng)小回路中由各磁場分量感生的電勢的方向和回路方向一致時(shí)，感生電勢的方向取“+”;當(dāng)小回路感生電勢的方向和回路方向相反時(shí)，感生電的方向取“-”。各小回路面積的大小代表了小回路感應(yīng)電勢的大小。這些小回路電勢的合成即為股線回路電勢。

2 股線電勢圖法對典型換位方式股線回路電勢的分析

2.1 槽部360°換位，端部不換位(0°/360°/0°)

從圖1的股線電勢圖可知，Br在端部產(chǎn)生的電勢不能抵消;Be在端部感生的電勢不能抵消;Bf在端部產(chǎn)生的電勢不能抵消。

圖1 槽部360°換位端部不換位的線圈股線電勢圖

2.2 槽部540°換位，端部不換位(0°/540°/0°)

從圖2的股線電勢圖可知，Br在端部產(chǎn)生的電勢部分抵消;Be在端部感生的電勢被抵消;Bf在端部產(chǎn)生的電勢部分抵消。

2.3 槽部360°換位，端部換位90°(90°/360°/90°)

從圖3的股線電勢圖可知，Br在端部產(chǎn)生的電勢被抵消;Be在端部感生的電勢不能抵消;Bf在端部產(chǎn)生的電勢被抵消。

圖3 槽部360°換位加端部90°換位的線圈股線電勢圖

2.4 槽部360°換位，端部換位180°(180°/360°/180°)

從圖4的股線電勢圖可知，Br在端部產(chǎn)生的電勢部分抵消;Be在端部感生的電勢被抵消;Bf在端部產(chǎn)生的電勢部分抵消。

圖4 槽部360°換位加端部180°換位的線圈股線電勢圖

2.5 槽部 540°換位，端部換位 ±180°(+180°/540°/-180°)

從圖5的股線電勢圖可知，Br在端部產(chǎn)生的電勢被抵消;Be在端部感生的電勢被抵消;Bf在端部產(chǎn)生的電勢被抵消。

圖5 槽部540°換位加端部±180°換位的線圈股線電勢圖

2.6 槽部540°換位加90°、270°處空換位

從圖6的股線電勢圖可知，Br在端部產(chǎn)生的電勢被抵消;Be在端部感生的電勢被大部分抵消;Bf在端部產(chǎn)生的電勢被抵消。

圖6 槽部540°換位加90°、270°空換位的線圈股線電勢圖

綜上分析，不同的換位方式的線圈中各種磁場所感生電勢的抵消情況可匯總?cè)绫恚?］。

表1 線圈中各種磁場感生的電勢

從而可以看出，從感生電勢抵消的情況來看，槽部540°換位且端部換位±180°的換位方式最為理想。各磁場分量的作用都能被完全抵消，股線之間沒有電勢差，完全消除了循環(huán)電流附加損耗。但是這種換位方式，結(jié)構(gòu)和工藝都很復(fù)雜，如果電機(jī)的定子鐵心和線圈端部較短時(shí)采用這種換位較為困難。

0°/360°/0°換位方式的線圈，對端部磁場分量的抵消程度最差。但這種線圈換位節(jié)距大，在結(jié)構(gòu)和工藝上最簡單。因而在中小型汽輪發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)、大容量的同步調(diào)相機(jī)上廣泛應(yīng)用。

0°/540°/0°換位方式的線圈，結(jié)構(gòu)工藝稍復(fù)雜但端部不需要換位。該種換位型式的線圈除了端部橫向自感磁場沒有被完全抵消外，其余磁場分量的作用全部被抵消了，在大型汽輪發(fā)電機(jī)上應(yīng)用較廣。

3 定子線圈換位設(shè)計(jì)(兩排線圈360°換位為例)

定子線圈換位設(shè)計(jì)主要涉及以下幾個(gè)參數(shù)的確定(如圖7、圖8所示)。

圖7 換位參數(shù)示意

圖8 換位參數(shù)示意

其中:m為每排參與換位股線數(shù)。換位長度L根據(jù)鐵心長度確定。換位節(jié)距T=L/(2m-1)。股線兩S彎的距離，根據(jù)文獻(xiàn)介紹及換位設(shè)計(jì)，基本上都取A=m×T。但筆者在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中發(fā)現(xiàn)在換位股數(shù)多、長度大、度數(shù)大、端部換位等較復(fù)雜情況下，這種取值會產(chǎn)生較大的積累誤差。該誤差會使成品線圈換位段位置控制尺寸偏差較大且編織后期換位節(jié)距難以保證，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致?lián)Q位編織無法最終完成而產(chǎn)生廢品。因此，筆者認(rèn)為要消除積累誤差的影響，在設(shè)計(jì)大型復(fù)雜換位的定子線圈時(shí)，每一步換位時(shí)股線每相鄰的兩S彎的距離應(yīng)都取A=;對于S彎的長度t為了使股線換位編織更容易進(jìn)行減小股線絕緣破裂的可能，一般取t≤0.6T;S彎的壓深尺寸一般比股線寬度尺寸大約0.5 mm［1］。股線壓彎半徑一般根據(jù)股線寬度取5～20 mm。

4 結(jié)語

為了滿足大容量機(jī)組安全運(yùn)行的需要，各制造廠家也在不斷地嘗試各種換位型式以求降低環(huán)流附加損耗的不利影響。本文針對定子線圈換位技術(shù)，介紹了一種實(shí)用、簡單、有效、準(zhǔn)確的分析方法。結(jié)合作者的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，介紹了線圈換位設(shè)計(jì)及注意事項(xiàng)，對大中型汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈的設(shè)計(jì)工作有一定的的參考、應(yīng)用價(jià)值。

［1］汪耕，陳希明.大型汽輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)、制造與運(yùn)行［M］.上海:上海海洋科學(xué)技術(shù)出版社，2000.