水輪發(fā)電機(jī)定子線棒保護(hù)方案分析

張建濤，胡　剛

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司， 黑龍江哈爾濱　150040)

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水輪發(fā)電機(jī)定子線棒保護(hù)方案分析

張建濤，胡剛

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司， 黑龍江哈爾濱150040)

摘要：指出水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心背部的定位筋，在發(fā)電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后鐵心振動(dòng)易造成邊緣鐵心沖片錯(cuò)位而危害定子線棒絕緣。用有限元法分析了在邊端鐵心增加不銹鋼銷或在定子邊端鐵心槽底加裝U形鋼板兩種方案帶來(lái)的損耗、電壓、電流等問(wèn)題。分析表明后一方案損耗略大但不會(huì)引起片間電流且工藝簡(jiǎn)單，是解決定子鐵心邊端振動(dòng)的一個(gè)可行方案。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機(jī)；鐵心；振動(dòng)；有限元；定子線棒

0引言

在水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，定子鐵心背部多采用定位筋，鐵心中無(wú)穿心螺桿。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，鐵心有一定松動(dòng)，在電機(jī)負(fù)荷突變或故障工況下，定子鐵心的振動(dòng)加劇，易引起邊端鐵心沖片沿徑向錯(cuò)位，對(duì)定子線棒的絕緣構(gòu)成危害。

在炳靈、康揚(yáng)等水電站的改造過(guò)程中，均發(fā)現(xiàn)過(guò)這類問(wèn)題。為此，提出兩種改造方案：一是在邊端鐵心增加不銹鋼銷，用于固定邊端鐵心的沖片，消除沖片振動(dòng)；二是在定子邊端鐵心的槽底加裝U形鋼板，以保護(hù)線棒絕緣不受沖片損害。

文章以一個(gè)12極，252槽的水輪發(fā)電機(jī)為例，采用電磁場(chǎng)數(shù)值分析方法，對(duì)這兩種方案所帶來(lái)的影響進(jìn)行分析，包括發(fā)熱、電流、電壓等問(wèn)題，最后確定最優(yōu)方案。[1-3]

1邊端鐵心加裝不銹鋼銷子

圖1為不銹鋼銷子的安裝示意圖。水輪發(fā)電機(jī)鐵心加裝不銹鋼銷子后，銷子與邊端鐵心緊配合，由此可能導(dǎo)致邊端鐵心的硅鋼片形成片間短路，與銷子形成閉合回路，從而在硅鋼片中產(chǎn)生電流及附加損耗，下面分別對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。

圖1　不銹鋼銷安裝示意圖

1.1損耗計(jì)算

1.1.1計(jì)算模型

圖2　計(jì)算模型

采用三維有限元法來(lái)分析不銹鋼銷產(chǎn)生的損耗。假設(shè)在一個(gè)12極，252槽的水輪發(fā)電機(jī)的邊端鐵心加裝N個(gè)不銹鋼銷子(不銹鋼銷子的數(shù)量N可根據(jù)實(shí)際情況選取。假設(shè)N為72)。圖2為建立的十二分之一計(jì)算模型，邊端鐵心軸向長(zhǎng)42 mm。同時(shí)，假定鋼銷與邊端鐵心緊配合，由此導(dǎo)致邊端鐵心的硅鋼片間形成片間短路。假定短路電流在徑向長(zhǎng)度為50 mm的鐵心邊緣范圍內(nèi)，故對(duì)這一部分單獨(dú)建模。

為簡(jiǎn)化分析，忽略定子端部的軸向磁場(chǎng)，同時(shí)假定這一鐵心邊緣部分為磁導(dǎo)率各向同性，而電導(dǎo)率各向異性，即沿徑向、周向?yàn)橐欢ㄖ担S向?yàn)?，計(jì)算不銹鋼銷帶來(lái)的損耗。

1.1.2計(jì)算結(jié)果

圖3和圖4為三維有限元法計(jì)算得到的磁場(chǎng)分布和鐵心邊緣的損耗分布。單個(gè)不銹鋼銷的損耗為0.022 W，整臺(tái)電機(jī)的不銹鋼銷所帶來(lái)?yè)p耗為11.1 W，鐵心邊緣產(chǎn)生的損耗為49.2 W。加裝不銹鋼銷子后產(chǎn)生的總損耗為60.3 W，損耗不大。

圖3　磁場(chǎng)分布

圖4　鐵心邊緣損耗

1.2不銹鋼銷電勢(shì)電流計(jì)算

1.2.1計(jì)算模型

為分析不銹鋼銷子的電勢(shì)和電流，需做如下假設(shè)：

1) 從圖1可看出，不銹鋼銷子只有一部分被打入邊端鐵心當(dāng)中，外面部分由于離定子繞組較遠(yuǎn)，磁密很少，故不考慮裸露在外的部分，只考慮鐵心中的一段。

2) 為計(jì)算通過(guò)不銹鋼銷子中的電流，假設(shè)銷子間通過(guò)硅鋼片短接，從而形成回路。

根據(jù)以上假設(shè)，建立場(chǎng)路耦合的二維有限元求解域，如圖5所示。圖6為不銹鋼銷等值電路，其中M1～MN為銷子等值導(dǎo)體，R1～RN為連接銷子的硅鋼片等值電阻。在圖7中，銷子1和銷子2為不銹鋼銷打入鐵心中的部分(約42mm)，陰影部分為硅鋼片，箭頭為銷子和硅鋼片形成的回路的電流方向，假設(shè)硅鋼片全部通過(guò)銷子短接，則可將42mm厚的硅鋼片沿虛線均分成兩部分，上下兩部分的電阻也就是R1～RN的阻值。

圖5　二維求解域

圖6　不銹鋼銷等值電路

圖7　銷子截面示意圖

1.2.2計(jì)算結(jié)果

圖8和圖9為計(jì)算得到的銷子的電壓和當(dāng)兩部短接時(shí)流過(guò)銷子中的電流。結(jié)果可以看出，銷子兩端的電壓很小，最大峰值不到0.2V，而流過(guò)硅鋼片的最大電流為20A。因此，在邊段鐵心中加不銹鋼銷子，會(huì)在邊段鐵心中產(chǎn)生較大的電流，該電流在邊端鐵心中產(chǎn)生的渦流損耗為33.8W，接近于三維場(chǎng)計(jì)算結(jié)果。

圖8　銷子感應(yīng)電壓

圖9　硅鋼片中的電流

2邊端鐵心槽底放不銹鋼板

圖10為在邊端鐵心的槽底放置的U形鋼板。由于鋼板采用不銹鋼材料，離定子線棒很近，有可能產(chǎn)生過(guò)熱問(wèn)題。鋼板部分在槽內(nèi)，部分在槽外，所處的磁場(chǎng)完全不同，故將其分兩部分。采用二維電磁場(chǎng)有限元法，分別計(jì)算兩部分鋼板各自產(chǎn)生的渦流損耗。

圖10　鋼板示意圖

2.1計(jì)算模型

根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)，擬在鐵心端部的槽底放置一U形鋼板，軸向長(zhǎng)度為42 mm。為此，可建立電機(jī)的二維有限元模型，如圖11所示。在定子繞組上施加三相額定電流，轉(zhuǎn)子上施加額定勵(lì)磁電流，采用二維瞬態(tài)磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，就可以得到電機(jī)的磁場(chǎng)分布和鋼板的損耗分布。

圖11　槽內(nèi)鋼板損耗計(jì)算模型

2.2計(jì)算結(jié)果

圖12為計(jì)算得到的電機(jī)二維磁力線分布。圖13為其中一個(gè)U形鋼板的損耗分布?？梢钥闯?，損耗主要集中在鋼板的開(kāi)口位置。圖14為得到的單個(gè)鋼板的損耗在一個(gè)周期內(nèi)隨時(shí)間的變化曲線，則可以得到單個(gè)鋼板的平均損耗為1.6 W。

圖12　二維磁場(chǎng)分布

圖13　鋼板開(kāi)口處損耗分布

圖14　單個(gè)鋼板損耗隨時(shí)間的變化曲線

2.3槽外鋼板損耗計(jì)算

2.3.1計(jì)算模型

將圖11所示的計(jì)算模型中的定轉(zhuǎn)子鐵心材料換成空氣，就可建立圖15所示的鋼板槽外部分損耗的計(jì)算模型，并采用二維有限元法進(jìn)行計(jì)算。

圖15　鋼板槽外部分損耗計(jì)算模型

2.3.2計(jì)算結(jié)果

圖16為其中一個(gè)U形鋼板槽外部分的損耗分布，單個(gè)鋼板的平均損耗為0.02 W，損耗很小，基本可以忽略，因此，在分析時(shí)，可以完全不考慮槽外部分，只考慮槽內(nèi)部分即可。

圖16　鋼板槽外部分的損耗

從以上分析可以看出，在槽底加U形薄鋼板，每個(gè)鋼板可以產(chǎn)生1.62 W的損耗，則整臺(tái)電機(jī)用U形薄鋼板所產(chǎn)生的總損耗為816.5 W，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱問(wèn)題，而且對(duì)電機(jī)不會(huì)造成別的影響。

3結(jié)語(yǔ)

將兩種方案的計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。分析表明，加裝不銹鋼銷會(huì)引起硅鋼片片間短路，導(dǎo)致?lián)p耗增加。雖然損耗不大，但在鐵心中產(chǎn)生了較大的片間電流，這是不允許的。而在槽底加一U形鋼板，損耗雖然比加裝不銹鋼銷引起的損耗略有增加，但沒(méi)有電流的影響，而且工藝也較簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。因此為了有效防止定子沖片的徑向振動(dòng)，保護(hù)定子線棒的最優(yōu)方案是在定子邊端鐵心的槽底加U形鋼板。

表1　兩種方案對(duì)比

研究成果解決了老機(jī)型水輪發(fā)電機(jī)邊端鐵心由于徑向振動(dòng)而損害定子線棒絕緣的問(wèn)題，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)的改造項(xiàng)目提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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[3] 莫會(huì)成，閔琳，于志剛，等.電機(jī)用硅鋼片鐵耗研究[J].微電機(jī)，2008，41(28)：5-7.