哈電全空冷300M var調(diào)相機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)研究

黃 浩，安志華，朱志佳

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150040）

0 前言

近年來，隨著新能源發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，大容量、遠(yuǎn)距離特高壓直流輸電技術(shù)得到了大規(guī)模的推廣應(yīng)用。由于直流系統(tǒng)在動態(tài)過程中需要從系統(tǒng)吸收大量的無功，使得電壓穩(wěn)定問題成為大電網(wǎng)安全穩(wěn)定的主要問題之一，客觀要求直流大規(guī)模輸送必須匹配大規(guī)模動態(tài)無功［1］。傳統(tǒng)的電力電子無功補(bǔ)償裝置受其自身工作特性的限制，無法在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時提供足夠的動態(tài)無功支撐。調(diào)相機(jī)作為一種無功補(bǔ)償裝置，可充分利用其次暫態(tài)、暫態(tài)以及穩(wěn)態(tài)特性，具有優(yōu)異的動態(tài)無功特性，在故障情況下，可瞬時向系統(tǒng)提供超出自身容量數(shù)倍的動態(tài)無功，還可為系統(tǒng)提供一定的短路容量以及轉(zhuǎn)動慣量支撐。

國家電網(wǎng)公司在多回特高壓直流的送、受端均加裝了調(diào)相機(jī)，哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司 （以下簡稱哈電）參與并提供了10余臺全空冷300M var調(diào)相機(jī)設(shè)備?？紤]到送端系統(tǒng)暫態(tài)過電壓和短路容量支撐問題，受端系統(tǒng)快速無功調(diào)節(jié)以及送受端過載能力的需求，要求調(diào)相機(jī)設(shè)計時應(yīng)具有較小的超瞬變電抗和短路時間常數(shù)，較高的轉(zhuǎn)子強(qiáng)勵倍數(shù)，較大的短路比和超強(qiáng)的定、轉(zhuǎn)子短時過負(fù)荷能力［2］。以上設(shè)計約束使得全空冷300M var調(diào)相機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計成為了調(diào)相機(jī)開發(fā)的難點之一。

眾所周知，調(diào)相機(jī)運(yùn)行時要在定子和轉(zhuǎn)子的一些部件中產(chǎn)生損耗，引起各部件的發(fā)熱。各部件間存在高溫部件向低溫部件的導(dǎo)熱，通風(fēng)冷卻系統(tǒng)內(nèi)的冷卻空氣與各發(fā)熱部件間同時進(jìn)行著對流換熱來解決各發(fā)熱部件的冷卻問題［3］。

本文介紹了哈電全空冷300M var調(diào)相機(jī)的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并以此調(diào)相機(jī)為算例，采用流體動力分析的方法，計算了其風(fēng)量分配。采用有限元法對不同工況下的定、轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)溫度場進(jìn)行了計算，論證了調(diào)相機(jī)在不同運(yùn)行工況時的溫度變化情況。通過定子采用多路通風(fēng)結(jié)構(gòu)，降低了定子溫度不均勻性及高點溫度。通過采用勵磁繞組端部兩路通風(fēng)和直線段多排孔設(shè)計結(jié)構(gòu)，解決了勵磁繞組的發(fā)熱問題，實現(xiàn)了調(diào)相機(jī)的全空氣冷卻。

1 流體動力分析的方法

本型全空冷300M var調(diào)相機(jī)采用轉(zhuǎn)子副槽通風(fēng)的結(jié)構(gòu)，當(dāng)其運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子槽楔出風(fēng)孔與轉(zhuǎn)子副槽間形成了一定的壓力差，并且隨著空氣在副槽內(nèi)的軸向流動與不斷的徑向分流，形成了動壓和靜壓的不斷轉(zhuǎn)換。對于調(diào)相機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的分析，首先研究了轉(zhuǎn)子風(fēng)量的分配。轉(zhuǎn)子槽部的通風(fēng)計算主要是在一定的進(jìn)口靜壓 （護(hù)環(huán)下）、出口靜壓 （氣隙內(nèi)）和轉(zhuǎn)子自身離心壓力下，對副槽和勵磁繞組徑向風(fēng)道內(nèi)氣體流量、壓力分布進(jìn)行計算。轉(zhuǎn)子副槽通風(fēng)計算的風(fēng)路示意如圖1所示。

圖1 副槽通風(fēng)計算風(fēng)路示意

相鄰兩個徑向風(fēng)道風(fēng)路的伯努利方程如下：

式中，Pas，Pbs為轉(zhuǎn)子副槽a處和b處的靜壓；Vaa，Vab為轉(zhuǎn)子副槽a處和b處的氣體軸向流速；Cv為速度轉(zhuǎn)換系數(shù)；Cx為分流阻力系數(shù)；Cf摩擦系數(shù)。

轉(zhuǎn)子計算從最靠近轉(zhuǎn)子中心線的一個徑向風(fēng)道開始，先假設(shè)該處徑向風(fēng)速，依次對各個徑向風(fēng)溝計算，反復(fù)迭代，直到進(jìn)口處靜壓和已給的靜壓相等［4］。

計算轉(zhuǎn)子的風(fēng)量分配后，將其作為風(fēng)源項并入調(diào)相機(jī)整體通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的計算中。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在通風(fēng)冷卻系統(tǒng)內(nèi)，流入和流出同一流道的冷卻流體流量相等，因此對于通風(fēng)計算網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點均應(yīng)有：

根據(jù)能量守恒定律，通風(fēng)計算網(wǎng)絡(luò)中的任意閉合回路，都有冷卻流體的流動壓力變化總和為零。即：

根據(jù)各節(jié)點流量和壓力的關(guān)系建立各節(jié)點的線性方程矩陣，求解通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量分配和壓力變化［5－9］。

2 溫度場計算原理

應(yīng)用有限元法進(jìn)行調(diào)相機(jī)各部分溫度場計算，利用幾何元素和布爾運(yùn)算操作生成基本的幾何模型，在建立幾何模型的同時，生成如圖2所示的節(jié)點和單元。

考慮邊值問題，在直角坐標(biāo)下，各向異性介質(zhì)中的三維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程為［10－12］：

式中，kx，ky，kz為 x，y，z方向的導(dǎo)熱系數(shù)；Ω1，Ω3為邊界條件。

通過變分問題離散形成有限元方程為：

對于瞬態(tài)溫度場，可通過對時間項離散的方法形成有限元計算方程。

3 通風(fēng)冷卻系統(tǒng)設(shè)計

如圖3所示，該調(diào)相機(jī)采用全空氣冷卻，在風(fēng)扇的作用下，冷風(fēng)主要分三路進(jìn)入調(diào)相機(jī)，其中一路經(jīng)定子繞組端部、頂部風(fēng)罩進(jìn)入定子進(jìn)風(fēng)區(qū)，冷卻進(jìn)風(fēng)區(qū)定子繞組、鐵芯后流入氣隙；另一路流入轉(zhuǎn)子，冷卻勵磁繞組直線段和端部后，進(jìn)入氣隙；還有一路直接進(jìn)入氣隙，這三路空氣一并流入出風(fēng)區(qū)的定子通風(fēng)溝，冷卻出風(fēng)區(qū)的定子繞組及鐵芯。除上述三路風(fēng)道外，定子端部結(jié)構(gòu)件還設(shè)計有單獨(dú)的風(fēng)道。被發(fā)熱部件加熱的空氣與冷卻器的冷卻水進(jìn)行熱交換散去熱量，然后，冷卻空氣重新被風(fēng)扇壓入調(diào)相機(jī)內(nèi)，形成密閉循環(huán)通風(fēng)方式［13－15］。

圖3 通風(fēng)冷卻系統(tǒng)風(fēng)路示意

定子采用5進(jìn)6出的多路徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以縮短定子風(fēng)路的長度，降低高點溫度，提高定子繞組與定子鐵芯絕緣的壽命。

轉(zhuǎn)子繞組直線部分采用斜副槽徑向通風(fēng)方式，冷風(fēng)從轉(zhuǎn)子副槽進(jìn)入直線部分，經(jīng)徑向風(fēng)道冷卻繞組直線部分后，從轉(zhuǎn)子槽楔的出風(fēng)口排出，進(jìn)入氣隙。轉(zhuǎn)子繞組端部采用兩路通風(fēng)結(jié)構(gòu)，冷風(fēng)從入風(fēng)口進(jìn)入繞組端部，直接冷卻繞組端部，一路從轉(zhuǎn)子本體靠端部的槽楔出風(fēng)孔排出，進(jìn)入氣隙，另一路從端部弧段出風(fēng)孔排出，經(jīng)大齒通風(fēng)道進(jìn)入氣隙。

由于調(diào)相機(jī)勵磁電流較高，還有2.5倍強(qiáng)勵持續(xù)15s的過負(fù)荷要求，轉(zhuǎn)子繞組的發(fā)熱問題是開發(fā)全空冷調(diào)相機(jī)的關(guān)鍵。通過調(diào)整槽楔出風(fēng)孔尺寸，從中間向端部分為幾組不同的孔徑，中間孔徑相對端部直徑要小，配合優(yōu)化轉(zhuǎn)子副槽的斜度，使轉(zhuǎn)子軸向風(fēng)量分配趨于均勻，降低了轉(zhuǎn)子繞組的溫度不均勻性，減小了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)件的熱應(yīng)力。另外，還優(yōu)化了轉(zhuǎn)子繞組直線部分多排通風(fēng)孔結(jié)構(gòu)及端部兩路通風(fēng)的設(shè)計方案，也使勵磁繞組的溫度得到有效控制。

4 通風(fēng)冷卻系統(tǒng)和溫度場的計算

4.1 通風(fēng)冷卻系統(tǒng)計算

在調(diào)相機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)中，冷風(fēng)流過定子通風(fēng)溝和轉(zhuǎn)子繞組通風(fēng)孔等風(fēng)道時產(chǎn)生一定的壓力損失，主要包括局部損失和沿程摩擦損失，一般局部損失遠(yuǎn)大于沿程摩擦損失。采用本文所述的計算方法，分別針對直、斜副槽不同槽楔出風(fēng)孔，直、斜副槽相同槽楔出風(fēng)孔方案進(jìn)行了風(fēng)量分配的計算比較，如圖4所示。

圖4說明斜副槽不同槽楔出風(fēng)孔方案的風(fēng)量分配最為均勻，轉(zhuǎn)子的總風(fēng)量為27.66m3／s，其中本體風(fēng)量為 18.56m3／s，端部風(fēng)量為 9.1m3／s。

圖4 轉(zhuǎn)子本體出風(fēng)孔風(fēng)量分布

本文根據(jù)調(diào)相機(jī)不同部件產(chǎn)生的損耗大小，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的調(diào)整，以提供合適的風(fēng)量分配來滿足調(diào)相機(jī)冷卻的需要。在轉(zhuǎn)子通風(fēng)計算的基礎(chǔ)上，采用網(wǎng)絡(luò)法，計算了調(diào)相機(jī)各部分風(fēng)量，通風(fēng)計算網(wǎng)絡(luò)如圖5所示，各部分風(fēng)量分配見表1。

表1 各部分風(fēng)量分配 單位：m3／s

圖5 調(diào)相機(jī)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)

定子進(jìn)風(fēng)區(qū)風(fēng)量約占總風(fēng)量的29.5%，轉(zhuǎn)子進(jìn)風(fēng)量約占總風(fēng)量的31.9%，氣隙進(jìn)風(fēng)量約占總風(fēng)量的26.4%，端部結(jié)構(gòu)件風(fēng)量占總風(fēng)量的12.2%。

4.2 計算工況

調(diào)相機(jī)除在額定工況穩(wěn)定運(yùn)行，還需具備較強(qiáng)的短時過負(fù)荷能力，因此，本文在開展穩(wěn)態(tài)溫度分布研究的同時，根據(jù)表2和表3對應(yīng)的工況，對定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行了瞬態(tài)溫度的計算。

表2 定子繞組的短時過負(fù)荷工況

表3 轉(zhuǎn)子繞組的短時過負(fù)荷工況

4.3 定子溫度場計算

定子溫度場計算以調(diào)相機(jī)全軸向半齒半槽為計算域，在通風(fēng)溝內(nèi)定子齒、軛、繞組與空氣接觸表面采用第三類邊界條件。在材料方面，由于鐵芯沖片和繞組股線有絕緣漆膜，計算中將鐵芯和股線的材料定義為三維各向異性［16，17］。圖6所示為定子計算域溫度分布云圖，表4為各出風(fēng)區(qū)對應(yīng)的熱點溫度。

表4 定子溫度場RTD熱點溫度計算結(jié)果

圖6 定子溫度分布云圖

從計算結(jié)果可以看出，定子鐵芯的最熱點溫度為91.2℃，定子繞組銅最熱點溫度為109.22℃，高點位于出風(fēng)區(qū)的上層定子繞組靠近層間絕緣處。定子RTD熱點溫度為100.2℃。結(jié)果表明，額定運(yùn)行時，定子各部分溫度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.4 轉(zhuǎn)子繞組溫度場計算

本文取轉(zhuǎn)子本體半齒半槽為轉(zhuǎn)子繞組直線段的計算域；端部計算域取9號槽的最長轉(zhuǎn)子繞組的端部區(qū)域。轉(zhuǎn)子繞組通風(fēng)孔、轉(zhuǎn)子表面及轉(zhuǎn)子副槽表面等存在對流換熱，因此，在這些位置施加第三類邊界條件［18－20］。另外，針對有通風(fēng)孔段和無通風(fēng)孔段分別施加不同的熱生成率。圖7所示為轉(zhuǎn)子繞組溫度分布云圖。

圖7 轉(zhuǎn)子繞組溫度分布云圖

從計算結(jié)果可以看出，轉(zhuǎn)子繞組的最熱點溫度為105.32℃，處于轉(zhuǎn)子繞組直線段，計算轉(zhuǎn)子繞組的平均溫度為93.8℃。結(jié)果表明，額定運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子繞組各部分溫度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.5 過負(fù)荷工況的溫度變化

以穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果作為瞬態(tài)場的初始條件，本文根據(jù)表2在5s、7s、15s和60s內(nèi)的定子電流變化，計算了定子層間RTD的溫度上升情況，具體的計算結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同工況的定子RTD溫度曲線

本文根據(jù)表3在15s、26.5s、35.2s和63s內(nèi)勵磁電流的變化，計算了轉(zhuǎn)子繞組的溫度上升情況，具體的計算結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同工況下轉(zhuǎn)子溫度曲線

在不同的過負(fù)荷工況，短時運(yùn)行時，定子RTD溫度上升不多，但轉(zhuǎn)子繞組溫度升高明顯，當(dāng)采用優(yōu)化的通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)時，能使轉(zhuǎn)子繞組的溫度得到有效控制。

4.6 端部結(jié)構(gòu)件溫度分布

調(diào)相機(jī)進(jìn)相運(yùn)行工況，端部漏磁場增強(qiáng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件發(fā)熱，為保證調(diào)相機(jī)的安全運(yùn)行，需控制端部結(jié)構(gòu)件的溫度。一方面為減小端部結(jié)構(gòu)件損耗，調(diào)相機(jī)采用階梯狀邊段鐵芯，增加漏磁場磁阻的同時將邊段效應(yīng)分散到多個鐵芯段；邊段鐵芯齒上開有2mm左右的小槽，減小端部軸向漏磁通引起的渦流損耗；鐵芯通風(fēng)槽鋼、壓指、壓圈均采用無磁性材質(zhì)；壓指頭倒圓角，避免損耗集中。另一方面，通風(fēng)冷卻系統(tǒng)也需特殊設(shè)計。鐵芯壓指和磁屏蔽壓指均設(shè)計單獨(dú)風(fēng)道，增強(qiáng)冷卻能力。銅屏蔽內(nèi)外表面均設(shè)計高速風(fēng)道，提高風(fēng)量及增加散熱面。端部冷卻風(fēng)路如圖10所示，冷風(fēng)經(jīng)風(fēng)扇加壓后進(jìn)入電機(jī)內(nèi)，其中一部分冷風(fēng)進(jìn)入氣隙徑向流經(jīng)邊端鐵芯和大壓指，一部分冷風(fēng)經(jīng)過定子線圈端部流經(jīng)磁屏蔽、小壓指和銅屏蔽內(nèi)、外兩側(cè)風(fēng)路后，最終攜帶端部結(jié)構(gòu)件熱量匯集到定子鐵芯背部，經(jīng)冷卻器散去熱量后重新經(jīng)風(fēng)扇加壓后進(jìn)入電機(jī)內(nèi)。

圖10 端部結(jié)構(gòu)件風(fēng)路示意

由于定子端部結(jié)構(gòu)件沿圓周方向?qū)ΨQ分布，所以計算域周向取對應(yīng)定子的一齒一槽區(qū)域，軸向包括定子邊段鐵芯、大壓指、磁屏蔽、小壓指、壓圈和銅屏蔽。網(wǎng)格剖分如圖11所示，考慮進(jìn)相工況運(yùn)行，端部結(jié)構(gòu)溫度比額定工況要高，本文給出了進(jìn)相工況的計算結(jié)果，如圖12所示。

圖11 端部結(jié)構(gòu)計算模型

圖12 端部結(jié)構(gòu)溫度分布云圖

圖12的計算結(jié)果說明，端部結(jié)構(gòu)件的溫度得到了很好的控制。

5 結(jié)論

本文以哈電全空冷300M var調(diào)相機(jī)為算例，采用流體動力分析和三維有限元法研究了調(diào)相機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的冷卻效果。分析了調(diào)相機(jī)在額定工況及過負(fù)荷工況的溫度變化情況，提出了轉(zhuǎn)子的優(yōu)化措施。從冷卻風(fēng)路的設(shè)計上，提高了對端部結(jié)構(gòu)件的冷卻能力，從而使端部結(jié)構(gòu)的溫度得到有效控制。

調(diào)相機(jī)總風(fēng)量為86.78m3／s，定、轉(zhuǎn)子在不同工況的溫度均在合理范圍內(nèi)，說明本文選擇的各部分風(fēng)量分配合理，通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的冷卻效果良好，解決了轉(zhuǎn)子高電磁參數(shù)發(fā)熱的問題，滿足了工程應(yīng)用的需要。