發(fā)電機出線裸導體電磁-熱防護研究

李禹江 童濤 宮金林 王曉輝 吳二存

摘要：該文以發(fā)電機出線裸導體及其周圍的鋼架結(jié)構(gòu)為研究對象，研究出線裸導體的交流磁場對周圍鋼架結(jié)構(gòu)的磁場熱效應?；诙辔锢韴鲇邢拊治龅姆椒?，首先建立發(fā)電機出線導體及周圍鋼架結(jié)構(gòu)的電磁場模型，定量分析產(chǎn)生的渦流損耗;其次通過電磁場和溫度場耦合的方法，將渦流場中產(chǎn)生的損耗作為熱源導入熱力學模型，建立鋼架結(jié)構(gòu)的熱力學模型，定量地分析出線導體對周圍鋼架結(jié)構(gòu)的熱磁影響，得出出線小間的溫度分布。根據(jù)分析結(jié)果，為發(fā)電機出線導體及其周圍鋼結(jié)構(gòu)的設計提出相應的防護措施，解決出線小間局部過熱問題，使設備運行參數(shù)達到設計標準。

關鍵詞：發(fā)電機;出線裸導體;多物理場分析;有限元方法;熱防護

中圖分類號：TP931 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）05-0060-06

收稿日期：2018-08-29;收到修改稿日期：2018-10-10

作者簡介：李禹江（1983-），男，山東濰坊市人，高級工程師，從事發(fā)電廠電氣一次設計工作。

0 引言

目前雙水內(nèi)冷發(fā)電機等機型出線導體多為裸導體，其出線區(qū)域狹窄，導體距周圍鋼構(gòu)距離較近，此導體對周圍鋼構(gòu)的熱磁防護設計中無定性定量分析;常規(guī)的設計中與電磁防護相關圖紙多為套用，特別是短路環(huán)的制作及安裝詳圖沒有給出，現(xiàn)場無法準確有效施工[1]。

在發(fā)電機出線導體電磁-熱防護的相關研究中，要么集中于對母線槽內(nèi)低壓大電流母排發(fā)熱的研究，要么局限于對離相封閉母線的研究，對敞開空間的周圍鋼架結(jié)構(gòu)，特別是出線小間內(nèi)的鋼構(gòu)熱效應的研究甚少。在國內(nèi)方面，文獻[2]采用有限元計算方法，得到了磁感應強度和電磁力的大小及其在母線橋中的分布規(guī)律，并通過與母線橋正常運行時的實測數(shù)據(jù)對比，得到不同工作電流、母線相間距離會對磁感應強度和電磁力產(chǎn)生不同影響的結(jié)論。文獻[3]基于多物理場耦合的有限元計算方法，比較了大電流離相封閉母線的計算溫升與該產(chǎn)品型式試驗的結(jié)果，誤差小于2℃，該計算方法對于封閉母線的產(chǎn)品設計具有一定參考意義。文獻[4-6]將磁-熱耦合方法應用于大電流輸配電設備的母線槽中，其通過間接耦合方法分析了母線槽內(nèi)部流體場和溫度場，發(fā)現(xiàn)存在一個使母排溫升最小的最優(yōu)母排間距，并提出可通過增大外殼高度或?qū)挾葋斫档湍概艤厣姆椒?。文獻[7]應用電磁場理論分析了低壓大電流母線框緊固螺栓這類零部件的渦流發(fā)熱問題，推導出相關解析表達式，并提出了消除有關發(fā)熱危害的具體措施。文獻[8]利用CAE技術分析了導體的排列、布置方式與電場強度分布之間的關系，并探尋影響其載流量的因素，提出通過合理布置排列多片矩形導體的方法，降低導體的發(fā)熱，該方法能有效提高導體的載流量。

在國外方面，同國內(nèi)相似，局限于對離相封閉母線及其相關結(jié)構(gòu)的研究。例如利用二維有限元方法分析了母線槽及其支架鋼構(gòu)的渦流損耗，并用多物理場耦合分析了母線槽及其周圍鋼架結(jié)構(gòu)的溫度分布，為母線槽的保護措施提供了一定的參考[9]。Ho S L[10]提出了一種計算出線導體及其絕緣材料溫升的算法，并利用25kV/12.5kA的封閉母線為例驗證了該算法。Kim S W[11]提供了一種新的預測超高壓母線溫升的解析預測方法。文獻[12]分析了3種封閉母線磁場的計算方法，并分別采用有限元方法和解析計算方法對母線屏蔽的有效性進行了分析。

由國內(nèi)外文獻和專利檢索分析可知，現(xiàn)有研究多集中于封閉母線的磁場熱效應研究，且均采用電磁場、溫度場耦合分析的方法分析母線的溫度分布，但對發(fā)電機到封閉母線中間的出線小間中的裸導體的研究甚少。

本文采用多物理場有限元分析方法，首先建立了發(fā)電機出線導體及周圍鋼結(jié)構(gòu)的電磁場模型，分析渦流場中產(chǎn)生的損耗;其次建立其熱力學模型，將渦流場中產(chǎn)生的損耗作為熱源導入模型，定量地分析出線導體對周圍鋼結(jié)構(gòu)的熱磁影響，得到了模型的溫度場分布;最后基于多物理場分析的結(jié)果，為發(fā)電機出線導體及其周圍鋼結(jié)構(gòu)的設計提出了相應的防護措施。

1 磁場分析

采用多物理場有限元分析軟件ANSYS，依托現(xiàn)有工程，首先建立發(fā)電機出線導體及周圍鋼結(jié)構(gòu)的幾何模型;其次利用電磁場渦流求解器分析模型的磁場分布以及渦流損耗。

1.1 幾何模型的建立

發(fā)電機出線小間主要由鋼架結(jié)構(gòu)、出線裸導體、導體支撐槽鋼以及安裝槽鋼的墻體組成。根據(jù)工程施工的具體數(shù)據(jù)建立其幾何模型。

1.1.1 出線小間鋼架模型

圖1所示為發(fā)電機出線小間的鋼架結(jié)構(gòu)。鋼架結(jié)構(gòu)高16900mm，寬10 350mm，長14 200mm，由24465根直徑為18mm/36mm的鋼筋組成。小間分為上下兩層，發(fā)電機位于小間的頂部，出線導體由頂部進入小間，從第二層的一側(cè)引出連接大電流母線。出線小間內(nèi)部為裸導體，大的交流電流形成的磁場會在周圍鋼架結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生渦流損耗，引起小間溫度的升高，從而影響鋼架的支撐應力。

1.1.2 出線裸導體及支撐槽鋼模型

出線小間內(nèi)的發(fā)電機出線導體及其支撐槽鋼的幾何模型如圖2所示。出線導體共有6根，均由兩個U型鋁質(zhì)導體對立排布構(gòu)成，其中3根引出小間對外供電，另外3根為中性點導體。

為了固定出線導體，在出線小間內(nèi)安裝了U型的支撐槽鋼，如圖2中藍色結(jié)構(gòu)。相比于鋼架，槽鋼的尺寸較小，且塊數(shù)較少，它主要起支撐和固定出線導體的作用，與槽鋁往往只有一個絕緣子的距離。U型截面兩側(cè)厚度8mm、底部厚度10mm。出線小間中固定出線導體的5條槽鋼長度為3585mm，其中上面4根是固定在墻體上，最下面1根固定在地面，中性點導體的槽鋼支架三橫四豎交錯排列。導體中交流電流產(chǎn)生的磁場同樣會在槽鋼中感應出渦流損耗，在出線小間中是一個重要的發(fā)熱源，引起槽鋼溫度的升高，這樣會嚴重影響其支撐應力，進而影響其使用壽命。對槽鋼磁場和溫度場的分析也是本文的主要內(nèi)容之一。

1.1.3 墻體模型

圖3中白色部分為墻體，由一系列高4000mm的塊狀結(jié)構(gòu)組成，除與立柱銜接處的墻體較薄外，其他部分厚度均為100mm。槽鋼固定在白色墻體上，出線導體透過墻體引出出線小間，通過軟連接與大電流母線連接。墻體的主要作用是安裝支撐導體的槽鋼。

1.2 模型簡化

1.2.1 鋼架結(jié)構(gòu)簡化

出線小間鋼架結(jié)構(gòu)3D模型體積大，共有24465根鋼筋組成，如圖4（a）所示。用有限元方法對該模型進行分析時，會產(chǎn)生數(shù)量十分龐大的網(wǎng)格，不僅需要十分強大的硬件資源，而且分析周期將會很長。在實驗室現(xiàn)有計算資源下：De117810塔式工作站，有2個英特爾至強E5-2600 V3系列處理器，32核64 GB內(nèi)存，無法對原模型進行有限元分析，因此在考慮磁場分布的情況下，需要對模型進行簡化。將鋼架中受磁場影響微弱或者不受影響的部分按如圖4（a）中紅線的標注進行切割，簡化后的模型如圖4（b）所示。

經(jīng)過結(jié)構(gòu)簡化之后的模型，無論是在模型尺寸，還是在鋼筋數(shù)量上都得到很大的簡化，且模型通過自檢無報錯，但該簡化模型仍然需要龐大的計算資源，上萬根鋼筋組成的出線小間，網(wǎng)格必須細化到鋼筋直徑大小，使得有限元模型中分析單元太多，造成無法分析，因此需要進一步簡化模型。

1.2.2 模型等效逼近

為了解決上述問題，本文提出了模型等效逼近的方法，即首先將立柱和橫梁等效為鋼塊，如圖5（b）所示。這樣可以有效減少有限元模型中分析單元的數(shù)量。與原模型相比，鋼架發(fā)熱位置大致相同，但是該模型中的渦流損耗將會增大，與實際模型差別較大。

將圖5（b）所示的等效模型進一步按比例切分成100等分、500等分、1000等分……逐漸逼近實際的鋼架結(jié)構(gòu)模型，即原模型。圖6中所示為按比例切分的100等分和500等分模型。

圖7為利用有限元方法對出線導體中產(chǎn)生的焦耳損耗，以及交流磁場在周圍鋼架結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的渦流損耗的計算。利用實驗室的計算資源，完成500等分模型一次分析需要4天的時間，但是1000等分模型仍然無法順利完成分析。由圖7可知，各模型導體中的焦耳損耗是相同的，渦流損耗由鋼塊模型中的61.5kW逐漸變小收斂。相比于300等分模型的13.64kW，500等分模型的渦流損耗為12.82kW，已經(jīng)相差不大，也就是說渦流損耗由100等分到500等分已經(jīng)開始收斂，從而驗證了模型等效逼近方法的有效性。

1.3 有限元分析結(jié)果

出線導體中添加有效值為12500 A三相交流激勵，利用穩(wěn)態(tài)求解器（eddy current solver），分析模型磁場分布，如圖8所示，其中圖8（a）為鋼架結(jié)構(gòu)磁密云圖，圖8（b）為支撐槽鋼磁密云圖。由圖可知，在出線小間的右上角和底部磁密較大，其中右上角部位是中性點裸導體拐角處，并且靠近出線導體。模型底部磁密較大則是由于和出線導體距離較近，即磁密較大處是出線導體較為集中部位。

圖9所示鋼架結(jié)構(gòu)中的損耗分布云圖。由于鋼架結(jié)構(gòu)中的損耗為渦流損耗，也就是由交流磁場在鋼架中產(chǎn)生的渦流引起的，所以損耗的分布和磁密的分布一致。損耗的計算結(jié)果將在溫度分析中作為熱源激勵導入，其大小和分布是電磁場和溫度場耦合的重要參數(shù)。

2 磁-熱耦合模型分析

2.1 溫度場模型參數(shù)設置

在ANSYS Workbench平臺下，在簡化物理模型的基礎上，以各類損耗為熱源，通過給定各部件的材料和施加必要的對流散熱邊界條件，完成發(fā)電機出線小間磁-熱耦合仿真模型的建立，軟件根據(jù)此實體模型自動建立電機穩(wěn)態(tài)溫度場的求解模型，計算得到出線小間的溫度場分布情況。

為了準確地計算分析出線小間的溫度場，需要確定出線小間內(nèi)各類材料的具體物理屬性，特別是其熱屬性，包括導熱系數(shù)、比熱容、材料密度等。表1所示為各部分材料的導熱系數(shù)。

在固體與空氣的交界面上存在熱對流，熱對流的量由溫差決定。知道，母線周圍的對流是大空間自然對流的問題，母線兩側(cè)的對流系數(shù)如表2所示。在溫度和電磁場的耦合分析中，環(huán)境溫度設置為40℃。

2.2 溫度場分析結(jié)果

圖10表示出線小間模型在未添加防護措施時的溫度分布。由圖可知，右上角的U型鋼最高溫度可達到75.3℃。對于外部鋼構(gòu)來說，靠近出線導體的部分溫度較高，約56℃。根據(jù)工程設計要求，鋼架結(jié)構(gòu)最高溫度為70℃，顯然U型槽鋼的最高溫度已經(jīng)超過了允許溫度，應采取防護措施降低發(fā)電機正常運行時的出線小間內(nèi)鋼架結(jié)構(gòu)的溫度，延長使用壽命。

3 電磁/熱防護措施

為了解決出線小間內(nèi)局部溫度過高的問題，本文提出了一種解決發(fā)電機機座鋼筋發(fā)熱問題的系統(tǒng)及方法。根據(jù)發(fā)電機實際運行情況，通過對出線小間內(nèi)電磁場和溫度場的定量分析，為支撐發(fā)電機出線導體的槽鋼結(jié)構(gòu)和小間內(nèi)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在特定位置分別安裝一定厚度的U型鋁質(zhì)護環(huán)和平面鋁板，起到電磁防護的作用，從而降低槽鋼以及鋼架結(jié)構(gòu)的溫度，起到熱防護的目的，如圖11所示，其中圖11（a）中藍色所示為防護鋁板，圖11（b）中綠色所示為U型護環(huán)。該防護措施有利于發(fā)電機出線導體的穩(wěn)定以及延長發(fā)電機機座鋼筋的使用壽命，有利于發(fā)電機的穩(wěn)定運行。

圖12所示為添加上述防護措施之后出線小間內(nèi)的溫度分布，最高溫度為69.25℃，達到了工程設計要求。

此外，設計人員可以根據(jù)具體的溫度要求，改變防護措施的參數(shù)，例如防護環(huán)和鋁板的厚度來改變出線導體周圍鋼架結(jié)構(gòu)的最高溫度，使得滿足設計要求。

4 結(jié)束語

本文依托現(xiàn)有工程，以發(fā)電機出線導體及其周圍鋼架結(jié)構(gòu)的電磁-熱防護為研究目標，建立電磁場和溫度場的耦合模型，采用有限元方法定量計算分析了渦流場產(chǎn)生的損耗和熱效應，得出了磁場分布和溫度場分布。針對支架槽鋼最高溫度（超過70℃）區(qū)域，提出了采用鋁材防護板和U型環(huán)的防護措施，通過進一步計算分析，驗證了防護措施的有效性。

本論文提出的分析方法和防護措施，徹底解決了設計人員僅僅憑借經(jīng)驗做出設計方案的困擾，使得設計人員有據(jù)可依，避免了出線小間局部溫度過高的問題。與現(xiàn)有設計方案相比較，該方案對安裝防護鋁材的位置以及參數(shù)給出了明確的設計，大大地減少了防護鋁材的用量，降低了工程造價。

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（編輯：劉楊）