魏燕飛，王庭山，周一工，胡建波，咸哲龍，梁旭彪

（1.上海電氣電站設(shè)備有限公司發(fā)電機(jī)廠，上海 200240；2.上海電氣電站設(shè)備有限公司，上海 201100）

前言

大型汽輪發(fā)電機(jī)各部件的溫升對(duì)機(jī)組的運(yùn)行性能有很大影響，同時(shí)也是限制發(fā)電機(jī)容量增加的一個(gè)重要原因。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)發(fā)電機(jī)各主要部件的溫度分布進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而指導(dǎo)并調(diào)整相關(guān)設(shè)計(jì)，使運(yùn)行溫度能夠在絕緣材料和金屬材料所允許的溫度限度之內(nèi)，這對(duì)于保證發(fā)電機(jī)的安全可靠運(yùn)行具有重要意義[1]。1100MW級(jí)核電發(fā)電機(jī)的并聯(lián)環(huán)與主引線通過(guò)軟連接線進(jìn)行電連接，在目前設(shè)計(jì)的冷卻方式和冷卻參數(shù)下，連接結(jié)構(gòu)的溫度分布如何，將是本文計(jì)算分析的主要內(nèi)容之一；另外，由于四極發(fā)電機(jī)的相帶引出頭較多，并聯(lián)環(huán)的排布較為復(fù)雜，發(fā)電機(jī)三相6個(gè)引出線中有2個(gè)引出線采用了雙倍電流環(huán)(以下簡(jiǎn)稱雙流環(huán))連接結(jié)構(gòu)，即并聯(lián)環(huán)連接到雙流環(huán)上，雙流環(huán)再通過(guò)軟連接線與主引線連接。雙流環(huán)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用使得電連接結(jié)構(gòu)在電流分布上不再具有對(duì)稱性，因此本文計(jì)算分析的另一重要內(nèi)容是雙流環(huán)與并聯(lián)環(huán)之間的連接以及雙流環(huán)與主引線之間的連接結(jié)構(gòu)的溫度分布。

對(duì)于發(fā)電機(jī)中的一些電連接部分的設(shè)計(jì)，工程設(shè)計(jì)人員通常采用估算電流密度大小的方式來(lái)確定其設(shè)計(jì)安全狀況，這種方法往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出定性的判斷，但不能給出結(jié)構(gòu)件中定量的溫度分布情況[2]。電連接部分的溫度分布與結(jié)構(gòu)、冷卻方式、冷卻參數(shù)、連接狀況等因素有很大關(guān)系，本文在充分考慮了冷卻方式及參數(shù)、散熱條件、連接接觸的影響等因素后，應(yīng)用通用有限元計(jì)算軟件ANSYS作為分析計(jì)算工具，采用順序式“電—熱”耦合計(jì)算方法對(duì)百萬(wàn)千瓦級(jí)核電發(fā)電機(jī)軟連接線結(jié)構(gòu)的溫度分布進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果可為百萬(wàn)千瓦級(jí)核電發(fā)電機(jī)軟連接線的具體方案設(shè)計(jì)以及雙流環(huán)連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供一定的計(jì)算參考。

1 模型分析

1.1 物理模型的建立

在三相繞組的6個(gè)主引線電連接結(jié)構(gòu)中，有4個(gè)是通過(guò)軟連接結(jié)構(gòu)將并聯(lián)環(huán)與主引線連接起來(lái)的，圖1為這種連接結(jié)構(gòu)的物理模型。圖1（a）所示，并聯(lián)環(huán)接頭兩端分別與一相中的兩個(gè)并聯(lián)支路相連接，通過(guò)8片軟連接線將并聯(lián)環(huán)接頭與主引線接頭連接起來(lái)，主引線接頭再與主引線通過(guò)焊接的方式進(jìn)行連接；對(duì)應(yīng)地，電流從并聯(lián)環(huán)接頭兩端分別流入，每端的大小為I/2，通過(guò)軟連接線從主引線流出，從電連接的角度來(lái)說(shuō)電流分布具有對(duì)稱性。連接結(jié)構(gòu)通過(guò)冷卻水進(jìn)行冷卻，如圖1（b）所示，箭頭線表示冷卻水流的方向，并聯(lián)環(huán)側(cè)的水支路1通過(guò)一端的并聯(lián)環(huán)流入到并聯(lián)環(huán)接頭，再流出到另一端的并聯(lián)環(huán)中，主引線側(cè)的水支路2從主引線接頭的兩端分別流入，最后匯流到主引線中對(duì)主引線進(jìn)行冷卻。

圖1 并聯(lián)環(huán)與主引線連接結(jié)構(gòu)模型

另外2個(gè)主引線電連接結(jié)構(gòu)中采用了雙流環(huán)設(shè)計(jì)，并聯(lián)環(huán)通過(guò)連接銅板與雙流環(huán)連接，雙流環(huán)再通過(guò)軟連接線結(jié)構(gòu)連接到主引線上，連接結(jié)構(gòu)分別如圖2、圖3所示。電流從并聯(lián)環(huán)接頭兩端分別流入，每端的大小同樣為I/2，通過(guò)連接銅板引入到雙流環(huán)中，雙流環(huán)中的電流為I；再通過(guò)8片軟連接線結(jié)構(gòu)的連接，最后從主引線流出。此時(shí)由于雙流環(huán)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，圖2和圖3所示連接結(jié)構(gòu)中的電流分布不再具有對(duì)稱性。連接結(jié)構(gòu)也分別通水進(jìn)行冷卻，如圖2（b）、圖3（b）所示，箭頭線表示冷卻水流的方向，并聯(lián)環(huán)側(cè)的水支路通過(guò)一端的并聯(lián)環(huán)流入到并聯(lián)環(huán)接頭，再流出到另一端的并聯(lián)環(huán)中；雙流環(huán)側(cè)的水路由靠近主引線的一端注入，最后從靠近并聯(lián)環(huán)接頭的另一端流出；主引線側(cè)的水支路從主引線接頭的兩端分別流入，最后匯流到主引線中對(duì)主引線進(jìn)行冷卻。

圖2 并聯(lián)環(huán)與雙流環(huán)連接結(jié)構(gòu)模型

圖3 雙流環(huán)與主引線連接結(jié)構(gòu)模型

1.2 模型建立中的等效假定

3種模型分別如圖1～3所示，計(jì)算中，軟連接線和連接銅板的模型和參數(shù)在以下幾個(gè)方面進(jìn)行了簡(jiǎn)化和等效處理：（1）在有限元軟件ANSYS中，多股銅絞線繞制的軟連接線是很難建立精確模型的，因此圖1以及圖3中的軟連接線是根據(jù)軟連接線的有效導(dǎo)電截面積建立的等效銅排，導(dǎo)電截面積為480mm2，銅排的寬度保持為52mm，模型厚度約為9.2mm；（2）考慮到軟連接線絞繞的影響，計(jì)算模型中銅排的長(zhǎng)度加長(zhǎng)了10%，即總長(zhǎng)度為220mm；（3）軟連接線中，為了減少運(yùn)行過(guò)程中銅絞線間的摩擦和振動(dòng)影響，要在銅絞線間填涂一定量的氟脂，這將會(huì)影響銅股線間的熱量傳遞，使其導(dǎo)熱性能下降。因此，在計(jì)算模型中將銅排的導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)定為各向異性，其中沿軟連接線的連接方向設(shè)定為λy=380，其他兩個(gè)方向的導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)定為λx=λz=200；（4）圖1和圖3所示軟連接線與接頭之間、圖2并聯(lián)環(huán)接頭與雙流環(huán)連接銅板之間均采用螺栓緊固的固定方式，接觸面不是完全理想的面接觸，而是若干部位的局部接觸，使得總的接觸面積減少了，導(dǎo)致局部電流密度增大（也即產(chǎn)生了接觸電阻），損耗增加；同時(shí)，由于接觸面積的減少也使得軟連接線與接頭之間的熱傳導(dǎo)性能變差。因此，在計(jì)算模型中，假定所有螺栓緊固的結(jié)構(gòu)之間接觸面積減小到整個(gè)接觸面積的30%，如圖4所示，在螺栓鎖緊部位由于壓力較大，假定接觸面積主要集中在其附近。

1.3 有限元分析中的載荷參數(shù)和邊界條件

根據(jù)上述物理等效模型，首先計(jì)算出50Hz穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下連接結(jié)構(gòu)的電流分布情況，進(jìn)一步計(jì)算出各點(diǎn)的時(shí)間平均焦耳熱(W)；在此基礎(chǔ)上將電磁有限元模型轉(zhuǎn)化為熱分析模型，并將已計(jì)算出的焦耳熱結(jié)果作為熱載荷導(dǎo)入熱分析模型中，結(jié)合冷卻水的散熱參數(shù)最終計(jì)算出各連接結(jié)構(gòu)中的溫度場(chǎng)分布情況。

表1 電磁及溫度計(jì)算參數(shù)

表1給出了計(jì)算過(guò)程中部件上承載的電載荷以及各材料參數(shù)，電磁計(jì)算中的電流載荷IL為額定電流的1.1倍，考慮了均流系數(shù)及電壓波動(dòng)的影響，對(duì)于有雙流環(huán)的連接結(jié)構(gòu)由于電流分布已經(jīng)不再對(duì)稱均勻，此處系數(shù)改為1.05，僅考慮電壓波動(dòng)的影響。冷卻水的參數(shù)根據(jù)計(jì)算水溫查詢相關(guān)手冊(cè)得到，主引線接頭進(jìn)水溫度50°C，水流量每端為4.5GPM，匯流到主引線中的總水流量為9GPM，并聯(lián)環(huán)接頭水溫取并聯(lián)環(huán)水路中出水水溫65.8°C，水流量10.5GPM，雙流環(huán)中的進(jìn)水水溫為50°C，出水水溫為61.7°C，水流量為13.7GPM。

圖4 軟連接銅排的端部及連接銅板接觸模型

電磁計(jì)算模型要在圖1～3的物理模型基礎(chǔ)上外加自由空間模型，并在整個(gè)自由空間的外表面施加磁力線平行邊界，在主引線截面上施加集中電流載荷IL，并耦合此截面上所有節(jié)點(diǎn)的電壓自由度(認(rèn)為是等位面)，指定并聯(lián)環(huán)接頭兩端連接面上的節(jié)點(diǎn)電壓為0，進(jìn)行頻率為50Hz的諧波場(chǎng)分析；對(duì)于溫度場(chǎng)的ANSYS計(jì)算模型，在電磁計(jì)算ANSYS模型的基礎(chǔ)上，刪除所有氣體單元，刪除模型中所有節(jié)點(diǎn)上的自由度和載荷，并將電磁分析單元SOLID97更改為溫度場(chǎng)分析單元SOLID70（兩種單元結(jié)構(gòu)相同，對(duì)實(shí)體模型不需要重新劃分單元），再將電磁計(jì)算中得到的熱載荷結(jié)果加載到溫度場(chǎng)分析模型中，按照冷卻水條件在通水部位設(shè)定邊界條件，最后設(shè)定穩(wěn)態(tài)分析進(jìn)行求解即可。

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 并聯(lián)環(huán)與主引線連接結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

圖5給出了連接結(jié)構(gòu)的電流密度分布結(jié)果，其中圖5（a）為結(jié)構(gòu)的電流密度實(shí)部解，圖5（b）為結(jié)構(gòu)的電流密度虛部解?？梢钥闯觯捎跍u流效應(yīng)，結(jié)構(gòu)中的電流密度分布不均勻，8片軟連接線上的電流密度分布也存在差異。

連接結(jié)構(gòu)的電流密度分布求解完成后，ANSYS將自動(dòng)根據(jù)電流密度分布結(jié)果求解導(dǎo)電部件中的焦耳熱密度分布，再結(jié)合水冷卻參數(shù)即可計(jì)算得到連接結(jié)構(gòu)的溫度分布情況，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，在當(dāng)前設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和冷卻條件下，軟連接線上的最高溫度約為 95.5°C。

圖5 并聯(lián)環(huán)與主引線連接結(jié)構(gòu)電流密度分布結(jié)果

圖6 并聯(lián)環(huán)與主引線連接結(jié)構(gòu)溫度分布結(jié)果

計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)前設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)軟連接線上的最高溫度達(dá)95.5°C。若能將軟連接線的有效導(dǎo)電面積加大，可適當(dāng)降低其中的電流密度，軟連接線上的溫度狀況也會(huì)有所改善。因此，在結(jié)構(gòu)允許的條件下，將軟連接線的橫截面有效導(dǎo)電面積提高到570mm2，計(jì)算模型中軟連接銅排的厚度從9.2mm改為10.9mm，其他條件不變。計(jì)算結(jié)果如圖7所示，可以看出，適當(dāng)加大軟連接線的橫截面導(dǎo)電面積后，軟連接上的最高溫度約為91°C，有所改善。

圖7 軟連接線調(diào)整后連接結(jié)構(gòu)溫度分布結(jié)果

2.2 并聯(lián)環(huán)與雙流環(huán)連接結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

圖8（a）為并聯(lián)環(huán)與雙流環(huán)連接結(jié)構(gòu)的溫度分布結(jié)果?？梢钥闯?，由于雙流環(huán)結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，電流流向遵循“最短路徑”原則，電流密度分布以及溫度分布很不均勻，靠近內(nèi)側(cè)的溫度高，最高溫度約達(dá)124°C。

為了適當(dāng)降低連接結(jié)構(gòu)上的熱點(diǎn)溫度，將并聯(lián)環(huán)接頭以及連接銅板沿雙流環(huán)方向加寬50mm，從而加大電流流向的“路徑”距離。圖8（b）為調(diào)整后連接結(jié)構(gòu)的溫度分布結(jié)果，可以看出，最高溫度降低到約115°C，結(jié)構(gòu)的適當(dāng)調(diào)整可有效改善結(jié)構(gòu)上的熱點(diǎn)溫度。

2.3 雙流環(huán)與主引線連接結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

圖9（a）為雙流環(huán)與主引線連接結(jié)構(gòu)的溫度分布結(jié)果，軟連接線的有效截面面積為480mm2。同樣，由于雙流環(huán)結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，電流密度分布以及溫度分布很不均勻，靠近內(nèi)側(cè)的軟連接線上的電流密度大，溫度最高，最高溫度約達(dá)125°C。

圖8 并聯(lián)環(huán)與雙流環(huán)連接結(jié)構(gòu)溫度分布結(jié)果

圖9 雙流環(huán)與主引線連接結(jié)構(gòu)溫度分布結(jié)果

與模型1計(jì)算相同，將軟連接線的橫截面有效導(dǎo)電面積提高到570mm2，即軟連接銅排的厚度從9.2mm改為10.9mm，計(jì)算結(jié)果如圖9（b）所示，可以看出，加大軟連接線的橫截面導(dǎo)電面積后，軟連接上的最高溫度約為116.7°C，有效改善了軟連接線上的熱點(diǎn)溫度。

3 分析與結(jié)論

本文基于有限元軟件ANSYS，對(duì)百萬(wàn)千瓦級(jí)核電發(fā)電機(jī)并聯(lián)環(huán)與主引線間的連接結(jié)構(gòu)上的溫度分布進(jìn)行了計(jì)算分析，計(jì)算模型充分考慮了實(shí)際運(yùn)行中影響連接結(jié)構(gòu)溫度分布的各種因素（如填充氟脂的影響、接觸部位的影響、電流波動(dòng)的影響等），計(jì)算結(jié)果表明，雙流環(huán)與主引線間的連接結(jié)構(gòu)中最高溫度約為125°C，適當(dāng)加大軟連接線的導(dǎo)電截面積為570mm2后(即軟連接線加厚)，可有效改善其溫度分布狀況，最高溫度約為116.7°C。對(duì)于并聯(lián)環(huán)與雙流環(huán)的連接結(jié)構(gòu)中，在設(shè)計(jì)允許的條件下，沿雙流環(huán)方向適當(dāng)加寬并聯(lián)環(huán)接頭以及連接銅板，也可有效改善連接結(jié)構(gòu)上的熱點(diǎn)溫度，在本文中，加寬50mm后最高溫度從124°C降到115°C。

另外，對(duì)計(jì)算模型的合理性和計(jì)算結(jié)果的有效性還需作如下幾點(diǎn)說(shuō)明：

（1）實(shí)際使用中的軟連接線是多股銅線絞繞而成的，受渦流效應(yīng)的影響較小，其中的電流密度是比較均勻的；計(jì)算模型中將其等效為銅排，渦流效應(yīng)使銅排中的電流密度不均勻(圖5所示)，損耗較實(shí)際情況有所增加。

（2）實(shí)際運(yùn)行中軟連接線與接頭之間雖然不是完全理想的面接觸，但貼合還是比較緊密的，之間的空氣隙非常小；計(jì)算模型中為了能夠有效剖分并適當(dāng)減少計(jì)算單元，此處的空氣隙很大(1.5mm)，如圖4所示。因此，計(jì)算模型中此處的導(dǎo)熱效果要比實(shí)際情況差一些。

（3）實(shí)際運(yùn)行中雖然軟連接線部位包有絕緣，導(dǎo)熱性能較差，但外面的冷氫還是能夠帶走部分熱量；而計(jì)算模型中假定此處是絕熱的。

因此，發(fā)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中其連接結(jié)構(gòu)上的熱點(diǎn)溫度比計(jì)算溫度還要低一些。綜合以上的分析，本文所給出的計(jì)算結(jié)果是合理有效的，能夠滿足并指導(dǎo)實(shí)際工程設(shè)計(jì)。

[1] Wei Yanfei,Qi Le,Wang Tingshan.Temperature Calculation on Phase Lead Connecting Structures of 1100MW Generator Stator Parallel Rings[J].Advanced Materials Research,2012,(433-440),7131-7137.

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