大型水輪發(fā)電機(jī)定子換位線棒匝間短路股線損耗

張春莉

(1． 水力發(fā)電設(shè)備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150040； 2． 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

大型水輪發(fā)電機(jī)生產(chǎn)運(yùn)行中定子線棒匝間短路故障時(shí)有發(fā)生。由于對(duì)機(jī)組正常運(yùn)行影響不大且故障特征不明顯，因此經(jīng)常被忽略，但長(zhǎng)期運(yùn)行匝間短路故障會(huì)導(dǎo)致一點(diǎn)甚至兩點(diǎn)接地，發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行在故障狀態(tài)會(huì)對(duì)其壽命產(chǎn)生影響，導(dǎo)致惡性事故的發(fā)生[1]。

隨著電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，發(fā)電機(jī)容量也越來(lái)越大，此時(shí)，當(dāng)電機(jī)在較高參數(shù)工況下運(yùn)行時(shí)，如發(fā)生定子繞組匝間短路，將會(huì)產(chǎn)生很大的短路電流，導(dǎo)致股線可能過(guò)熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀繞組和鐵心，后果十分嚴(yán)重。為此，有必要對(duì)大型水輪發(fā)電機(jī)定子線棒匝間短路故障引起的股線損耗進(jìn)行研究。本文以官地水輪發(fā)電機(jī)為例，對(duì)定子線棒發(fā)生不同匝間短路情況的股線損耗進(jìn)行了詳細(xì)地計(jì)算與分析。

1 大型水輪發(fā)電機(jī)定子線棒換位方式計(jì)算

大型水輪發(fā)電機(jī)定子線棒換位一般有三種方式：一種是Robel360°換位；一種是不完全換位；一種是空換位。當(dāng)鐵心長(zhǎng)度無(wú)法滿足Robel360°換位要求時(shí)，采用不完全換位。當(dāng)鐵心長(zhǎng)度滿足360°換位要求時(shí)，可采用空換位方式。后兩種方式可以很大程度減小環(huán)流損耗[2]。

1.1 計(jì)算方法

在水輪發(fā)電機(jī)定子線棒換位計(jì)算中，首先要準(zhǔn)確地算出端部線棒附近的磁場(chǎng)及它們?cè)诟鞴删€回路中感應(yīng)的電勢(shì)，然后求解整根線棒中各股線形成的回路方程，通過(guò)調(diào)整換位方案，使線棒的環(huán)流損耗最小，從而確定最佳換位方案。

1.1.1 端部磁場(chǎng)的計(jì)算

為了較準(zhǔn)確地計(jì)算定子線棒附近的磁場(chǎng)，采用比奧—沙伐定律：

(1)

式中：idl為電流元向量；μ0為空氣的磁導(dǎo)率；r為電流元到場(chǎng)點(diǎn)的距離向量。

1.1.2 線棒股線環(huán)流計(jì)算

在端部橫向磁場(chǎng)作用下，上層線棒股線方程如下：

(2)

對(duì)徑向磁場(chǎng)，也可列類似的方程來(lái)進(jìn)行求解。

1.1.3 平均環(huán)流系數(shù)與最大環(huán)流系數(shù)

為了便于分析線棒股線環(huán)流的影響，引入最大環(huán)流系數(shù)與平均環(huán)流系數(shù)，定義如下：

(3)

(4)

式中：Ijmax為最大股線電流，I為平均股線電流。

平均環(huán)流系數(shù)標(biāo)志著由于存在環(huán)流使線棒總銅耗增大的倍數(shù)，最大環(huán)流系數(shù)標(biāo)志著最大股線電流的那根股線銅耗所增大的倍數(shù)。最佳空換位的長(zhǎng)度選取原則是使這兩個(gè)損耗系數(shù)盡可能小。

1.2 官地水輪發(fā)電機(jī)定子線棒最佳換位方式

通過(guò)以上方法計(jì)算得到官地水輪發(fā)電機(jī)不同空換位長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的平均環(huán)流系數(shù)和最大環(huán)流系數(shù)，其分布如圖1所示。定子線棒最佳換位方式為空換位，空換位長(zhǎng)度為300 mm，換位節(jié)距為42.42 mm，最大環(huán)流系數(shù)為1.95，最小環(huán)流系數(shù)為1.07。

佟老板又笑了笑說(shuō)，這是份復(fù)印件。原件我已存檔。你要是不信的話，可以上法院起訴，也可以找專家進(jìn)行指紋比對(duì)，看是不是你的指紋。

圖1 官地水輪發(fā)電機(jī)平均環(huán)流系數(shù)和最大環(huán)流系數(shù)

為了后面與定子匝間短路分析進(jìn)行對(duì)比，對(duì)無(wú)匝間短路正常換位線棒時(shí)最佳空換位下每根股線損耗進(jìn)行了計(jì)算， 結(jié)果如圖2所示。Robel360°換位線

圖2 每根股線損耗(VOL=300 mm)

棒每根股線損耗分布如圖3所示，一根線棒總損耗比最佳換位方式增加約758.46 kW。

圖3 Robel360°線棒每根股線損耗

2 水輪發(fā)電機(jī)定子線棒匝間短路分析

以官地水輪發(fā)電機(jī)為例，定子線棒采用300 mm空換位方式。對(duì)不同匝間短路進(jìn)行分析，圖4給出了一根線棒某一截面并聯(lián)股線分布情況。定子線棒匝間短路情況非常復(fù)雜，匝間短路狀態(tài)有多種多樣，無(wú)法一一列舉，為了分析簡(jiǎn)明起見(jiàn)，本文對(duì)發(fā)生一處多匝發(fā)生短路及多處多匝發(fā)生短路情況進(jìn)行了計(jì)算與分析。

666564636261605958575655545352515049484746454443424140393837363534123456789101112131415161718192021222324252627282930313233

圖4 股線分布

2.1 一處多匝短路

本文對(duì)官地水輪發(fā)電機(jī)定子線棒一處發(fā)生1匝和3匝短路情況股線損耗進(jìn)行了計(jì)算。

2.1.1 一處1匝短路

一處1匝短路有多種兩根股線短路的情況，由于篇幅有限，只給出10種1匝短路情況，其股線損耗計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1結(jié)果可見(jiàn)，發(fā)生一處1匝短路時(shí)，最大股線損耗發(fā)生在股線1、2短路情況；一個(gè)線棒最大總損耗發(fā)生在股線34、35短路情況；所有一處1匝短路最大股線損耗對(duì)應(yīng)股線大致都位于槽頂、槽底或短路匝。最大股線損耗偏大兩處每根股線損耗分布如圖5所示。

2.1.2 一處3匝短路

本文只給出了10種3匝短路情況，并對(duì)其股線損耗進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 一處1匝短路股線損耗

a) 股線1、2短

b) 股線34、35短

短路股線號(hào)最大股線損耗/W最大股線損耗對(duì)應(yīng)股線號(hào)一個(gè)線棒總損耗/W1～4172.87短路匝1 239.632～560.42短路匝1 141.277～1046.28短路匝1 168.7712～1546.22短路匝1 126.3722～2558.04短路匝1 151.0432～3599.76短路匝1 206.0734～37146.81短路匝1 243.3536～39131.87短路匝1 233.6338～40118.18短路匝1 222.8543～4652.58短路匝1 141.56

由表3結(jié)果可見(jiàn)，發(fā)生一處3匝短路，最大股線損耗超過(guò)Robel360°換位的最大股線損耗約67.5%，發(fā)生在股線1～4短路情況；一個(gè)線棒最大總損耗發(fā)生在股線34～37短路情況；所有最大股線損耗對(duì)應(yīng)股線都位于短路匝。最大股線損耗偏大兩處股線損耗分布如圖6所示。

2.2 多處多匝短路

對(duì)于定子線棒多處多匝短路情況，本文抽取了其中比較典型的10種狀態(tài)進(jìn)行介紹，股線損耗計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

股線1～4短

股線34～37短

序號(hào)短路股線號(hào)最大股線損耗/W最大股線損耗對(duì)應(yīng)股線號(hào)一個(gè)線棒總損耗/W144～45、64～65、61～6241.14341 189.2227～9、20～21、43～44、52～5348.8271 223.4038～9、14～15、38～39、49～50、56～5749.07341 331.57410～13、23～2553.53101 182.1854～6、12～13、17～18、50～5164.2241 266.0861～2、34～3573.5911 213.95734～35、64～65、61～6278.94341 215.7181～2、7～9、16～1883.2811 233.09914～18、54～5691.60141 258.991034～35、38～40、61～63101.17381 317.68

由發(fā)生多處多匝短路不同狀態(tài)計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，最大股線損耗為100 W左右及以上的情況基本都發(fā)生在股線1附近和股線34附近發(fā)生短路時(shí)，由此可見(jiàn)在槽底或槽底發(fā)生匝間短路時(shí)，此時(shí)短路故障基本比較嚴(yán)重。

3 結(jié)論

分析大型水輪發(fā)電機(jī)定子線棒匝間短路，可以得到如下結(jié)論：

(1) 線棒股線匝間短路位置對(duì)股線損耗影響很大；

(2) 當(dāng)發(fā)生一處股線間短路(1匝短路)時(shí)，最大股線損耗對(duì)應(yīng)股線基本都位于槽頂或槽底或短路匝；

(3) 當(dāng)發(fā)生一處2匝及以上短路時(shí)，最大股線損耗對(duì)應(yīng)股線都位于短路匝；

(4) 短路匝數(shù)越多，相鄰股線損耗差值越大，因此其溫差越大；

(5) 當(dāng)發(fā)生一處3～5匝短路時(shí)，有部分短路位置其最大股線損耗超過(guò)了Robel360°最大股線損耗，特別在槽底或槽底對(duì)應(yīng)股線位置。隨著短路匝數(shù)增加，最大股線高過(guò)Robel360°最大股線損耗對(duì)應(yīng)短路狀態(tài)增加，高于5匝短路時(shí)，最大股線損耗遠(yuǎn)超過(guò)了Robel360°最大股線損耗；

(6) 在槽頂或槽底對(duì)應(yīng)股線位置發(fā)生匝間短路，此時(shí)短路故障通常比較嚴(yán)重；

(7) 對(duì)不同短路，最大股線損耗對(duì)應(yīng)短路狀態(tài)的線棒總損耗不一定最大，這與整個(gè)線棒此時(shí)所處磁場(chǎng)變化有關(guān)，而股線電勢(shì)差引起各股線電流分布變化有的會(huì)增大、有的會(huì)減小。