雷一鳴，張 莉

(1.上海電力學(xué)院，上海 200090;2.陽(yáng)江核電有限公司，廣東陽(yáng)江 529500)

大型發(fā)電機(jī)是發(fā)電廠的核心設(shè)備之一，所擔(dān)負(fù)的安全責(zé)任巨大.目前，發(fā)電機(jī)存在的主要問(wèn)題是定子“超溫”，這種超溫現(xiàn)象隨著發(fā)電機(jī)容量的增大而越來(lái)越明顯，給發(fā)電廠的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)較大的安全隱患.

引起定子超溫的主要原因是由于發(fā)電機(jī)定子線棒空心股線的堵塞，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量無(wú)法被及時(shí)帶走［1］.而外部引入異物、氣堵和汽堵、或銅線的腐蝕產(chǎn)物等都是造成空心股線堵塞的常見(jiàn)原因［2-4］.當(dāng)發(fā)生堵塞情況時(shí)，空心股線的冷卻水流通面積就會(huì)減小，致使冷卻水流量下降，定子線棒溫度隨之升高.當(dāng)然，空心股線堵塞的程度不同，對(duì)定子線棒內(nèi)溫度場(chǎng)分布的影響也會(huì)不同.在當(dāng)前的溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)還無(wú)法提供線棒詳細(xì)溫度場(chǎng)分布的情況下［5-9］，采用數(shù)值計(jì)算的方法分析空心股線的堵塞程度對(duì)定子線棒溫度場(chǎng)的影響，對(duì)于幫助設(shè)計(jì)、運(yùn)行人員了解定子線棒內(nèi)的溫度分布狀況，從而對(duì)發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)制造、在線監(jiān)測(cè)、過(guò)熱檢測(cè)和空心股線堵塞的早期診斷都是十分必要的.本文主要討論單根空心股線不同程度堵塞時(shí)對(duì)定子線棒溫度場(chǎng)分布的影響.

1 定子線棒的物理和傳熱模型

1.1 定子線棒的物理模型

水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒是由空心銅導(dǎo)線和實(shí)心銅導(dǎo)線組合排列而成，銅導(dǎo)線間通過(guò)股間絕緣、排間絕緣和主絕緣達(dá)到絕緣目的.在發(fā)電機(jī)工作時(shí)，電流流過(guò)銅股線產(chǎn)生損耗，以發(fā)熱的形式表現(xiàn)出來(lái).與此同時(shí)，絕大部分的熱損被空心股線中流過(guò)的冷卻水帶走.此外，隨著空心股線內(nèi)冷卻水的溫度變化，沿著軸線方向上的定子線棒的溫度也在變化.

1.2 定子線棒的傳熱模型

為了便于求解，在建立線棒的傳熱模型時(shí)，作如下假定:

(1)空心股線未堵塞時(shí)，冷卻水對(duì)空心股線的冷卻可視為第3類(lèi)邊界條件，但當(dāng)空心股線因堵塞導(dǎo)致冷卻水無(wú)法流通時(shí)，在空心股線內(nèi)邊界上的第3類(lèi)邊界條件轉(zhuǎn)化成內(nèi)部區(qū)域;

(2)忽略主絕緣邊界的散熱，假定為絕熱邊界;

(3)忽略線棒端部的散熱，假設(shè)線棒的兩個(gè)軸向端面絕熱;

(4)忽略定子線棒股線間的羅貝爾換位;

(5)認(rèn)為渦流效應(yīng)對(duì)每根股線的影響相同.

結(jié)合定子線棒的物理模型，根據(jù)傳熱學(xué)知識(shí)［10］，當(dāng)發(fā)電機(jī)穩(wěn)定在某一個(gè)工況下運(yùn)行時(shí)，定子線棒內(nèi)溫度場(chǎng)的求解問(wèn)題是一個(gè)帶內(nèi)熱源、四周絕熱、內(nèi)部包含第3類(lèi)邊界條件的三維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題，求解定子線棒三維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型為［10］.

式中:T——定子線棒溫度;

λ——不同材質(zhì)物體的導(dǎo)熱系數(shù);˙

φ——銅心股線上的熱源強(qiáng)度;

s1——主絕緣的外邊界;

s2——空心股線的內(nèi)邊界;

?T/?n——沿邊界法向的溫度變化率.

2 計(jì)算對(duì)象及計(jì)算模型的確定

2.1 計(jì)算對(duì)象的各項(xiàng)數(shù)值

選取某600 MW發(fā)電機(jī)定子繞組中的1根下層線棒作為研究對(duì)象.該定子線棒由16根空心銅導(dǎo)線和32根實(shí)心銅導(dǎo)線組成，分為4排，每排又分為4組，每組由1根空心銅導(dǎo)線和2根實(shí)心銅導(dǎo)線組成.空心線按4×4排列，尺寸為4.7mm×7.5mm，壁厚1.35mm，實(shí)心線按 4 ×8 排列，尺寸為2.24mm ×7.5mm，軸向長(zhǎng)度6.3 m.該型號(hào)發(fā)電機(jī)的額定值如表1所示.

表1 某600MW汽輪發(fā)電機(jī)的額定值

2.2 計(jì)算模型中的有關(guān)參數(shù)

(1)內(nèi)熱源 發(fā)電機(jī)內(nèi)的熱源包括電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械損耗、電損耗、磁損耗，以及各種附加損耗等，對(duì)其溫度分布影響起主要作用的是電損耗.電損耗是由電流流過(guò)定子線棒時(shí)產(chǎn)生的，即定子線棒的銅損耗.

(2)空心股線內(nèi)冷卻水流量 根據(jù)流體力學(xué)中的并聯(lián)管路理論，當(dāng)空心股線通流正常時(shí)，總進(jìn)水管流入的冷卻水總流量在所有空心股線中平均分配.當(dāng)某根空心股線完全堵塞時(shí)，并聯(lián)的冷卻水路數(shù)目減少，冷卻水流量在剩余未被堵塞的空心股線中平均分配.當(dāng)某根空心股線部分堵塞時(shí)，堵塞的空心股線中的冷卻水流量根據(jù)堵塞程度會(huì)相應(yīng)減小，其余未被堵塞的空心股線水流量是剩余冷卻水流量的平均分配.

(3)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 空心股線內(nèi)冷卻水帶走熱量的傳熱過(guò)程屬于管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱，其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可利用實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算得出.

(4)冷卻水溫 由于冷卻水隨流動(dòng)不斷升溫，因此式(1)中的冷卻水溫沿軸向發(fā)生變化.冷卻水的入口溫度按照設(shè)計(jì)工況取為42℃，考慮到冷卻水溫度與線棒銅線溫度的耦合，經(jīng)公式推導(dǎo)可得出軸向局部冷卻水溫度表達(dá)式.

(5)不同介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù) 在發(fā)電機(jī)定子線棒內(nèi)存在主絕緣、股間絕緣、銅導(dǎo)線和排間絕緣4種介質(zhì).大中型高壓發(fā)電機(jī)采用少膠云母帶作為主絕緣;股間絕緣的主要成分是薄層玻璃纖維;定子線棒所用銅為2號(hào)純銅;通常用浸漬聚酯樹(shù)脂的滌綸氈作為排間絕緣，屬于F級(jí)多膠玻璃粉云母板材料.以上幾種介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)都可以通過(guò)查詢相關(guān)圖表獲得.

3 計(jì)算結(jié)果與分析

在Ansys軟件平臺(tái)上采用有限元法，對(duì)所選取的某600 MW發(fā)電機(jī)定子繞組下層線棒的整體溫度場(chǎng)分布進(jìn)行數(shù)值模擬，分別對(duì)空心股線未堵塞和單根空心股線發(fā)生部分堵塞等多種情況進(jìn)行研究.定子線棒三維造型示意如圖1所示.對(duì)該線棒中空心股線在正視圖視角下進(jìn)行編號(hào)，如圖2所示.其中，假定發(fā)生部分堵塞的空心股線為B2.

圖1 定子線棒三維造型

圖2 空心股線編號(hào)示意

圖3為空心股線未堵塞時(shí)定子線棒的溫度分布.由圖3可知，整個(gè)線棒的溫度沿軸向是不斷升高的，實(shí)心銅股線密集的區(qū)域，溫度普遍較高.而空心股線內(nèi)流通冷卻水，提供了良好的散熱環(huán)境，溫度相對(duì)較低.

圖3 股線未堵塞時(shí)定子線棒的溫度分布

每個(gè)軸向截面并不是等溫分布的，不同介質(zhì)處在不同的溫度范圍.提取溫度場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，定子線棒溫度的最高值出現(xiàn)在線棒的出口實(shí)心銅股線之間的絕緣處，為74.266℃，出水溫度為62.853℃，符合該機(jī)組發(fā)電機(jī)定子線圈各槽出口溫度及匯水管總出水溫度均不大于73℃，發(fā)電機(jī)定子線圈槽內(nèi)層間溫度不得大于120℃的規(guī)定.600 MW汽輪發(fā)電機(jī)額定負(fù)載工況下線棒出水溫度約為60℃，與本文計(jì)算所得結(jié)果基本一致，說(shuō)明發(fā)電機(jī)正常穩(wěn)態(tài)時(shí)的定子溫度模型和計(jì)算方法是正確的.

圖4給出了B2完全堵塞時(shí)定子線棒的溫度分布.當(dāng)B2空心股線發(fā)生堵塞時(shí)，其局部溫度高于其他股線;出口截面存 在線棒的最熱點(diǎn)，位置也位于堵塞處附近的絕緣內(nèi)部，溫度甚至高達(dá)近100℃.

圖4 B2股線完全堵塞時(shí)定子線棒的溫度分布

對(duì)B2空心股線在不同堵塞程度下進(jìn)行計(jì)算和分析，計(jì)算中涉及的參數(shù)如表2所示.

圖5為位于發(fā)生部分堵塞的B2空心股線中某點(diǎn)的溫度.由圖5可以看出，空心股線部分堵塞時(shí)，線棒的溫度與空心股線的堵塞程度有關(guān)，即與空心股線的堵塞系數(shù)有關(guān).堵塞系數(shù)越大，溫度越高.空心股線發(fā)生部分堵塞時(shí)，冷卻水可以在股線內(nèi)流動(dòng)，此時(shí)仍能發(fā)生對(duì)流換熱，具備一定的冷卻能力，因此該股線溫度略有升高.一旦完全堵塞，該股線的溫度急劇升高20℃，并燒壞相鄰絕緣.

表2 B2空心股線部分堵塞時(shí)的相關(guān)參數(shù)

圖5 堵塞程度不同時(shí)B2空心股線中某點(diǎn)的溫度

圖6為不同堵塞系數(shù)下B2空心股線中最熱點(diǎn)的溫差.由圖6可知，堵塞系數(shù)從0.6增大到0.7時(shí)，該空心股線的最高溫度的增長(zhǎng)速率變大.這是由于堵塞空心股線內(nèi)水的局部阻力系數(shù)從87增加到309，導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)減小，空心股線內(nèi)冷卻水的換熱能力開(kāi)始急劇下降.因此，要密切監(jiān)視各檢溫計(jì)的數(shù)值變化，在溫升有小幅提高的時(shí)候進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，以防止空心股線的堵塞系數(shù)增大到0.7，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失.

圖7為與發(fā)生部分堵塞的空心股線相鄰的實(shí)心股線的溫度變化.

圖6 不同堵塞系數(shù)下B2中最熱點(diǎn)的溫差

由圖7可知，發(fā)生堵塞時(shí)，該實(shí)心股線溫度升高，且溫升與堵塞程度有關(guān).當(dāng)堵塞系數(shù)為0.7時(shí)，該實(shí)心股線溫度比正常情況高5℃.通過(guò)對(duì)其他數(shù)據(jù)的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主絕緣附近的空心股線發(fā)生部分堵塞時(shí)，其本身溫升較高.當(dāng)空心股線發(fā)生部分堵塞時(shí)，定子線棒中的水路流通受到影響，管內(nèi)冷卻水流速降低，散熱能力下降，迫使內(nèi)熱源產(chǎn)生的部分熱量傳遞給冷卻水，以及臨近的絕緣材料和實(shí)心股線，加速了絕緣的老化，影響了實(shí)心股線的溫升，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)燒壞絕緣，引發(fā)定子線棒短路等故障，甚至危及鐵心，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失.

圖7 B2堵塞程度不同時(shí)相鄰實(shí)心股線的溫度分布

圖8為不同程度堵塞系數(shù)下主絕緣最熱點(diǎn)的溫差.

圖8 不同程度堵塞系數(shù)下主絕緣最熱點(diǎn)的溫差

通過(guò)對(duì)溫度場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算，堵塞系數(shù)為0.2時(shí)，得到主絕緣的最熱點(diǎn)溫度為74.012℃;堵塞系數(shù)為0.4時(shí)，主絕緣最熱點(diǎn)溫度為72.899℃;堵塞系數(shù)為0.7時(shí)，主絕緣最熱點(diǎn)溫度為74.016℃.結(jié)合圖8分析可知，主絕緣最熱點(diǎn)的溫度并沒(méi)有隨著堵塞系數(shù)的增大而增大，在堵塞系數(shù)為0.4，0.5，0.6 時(shí)，主絕緣最熱點(diǎn)溫度反而下降了約1.113℃.分析其原因可知，當(dāng)空心股線發(fā)生不同程度堵塞時(shí)，冷卻水流量被重新進(jìn)行分配，未發(fā)生堵塞的空心股線內(nèi)流速略微提高，使水銅的換熱系數(shù)增大，散熱能力提高，主絕緣溫度下降.

4 結(jié)語(yǔ)

本文建立了發(fā)電機(jī)定子線棒穩(wěn)態(tài)三維溫度場(chǎng)計(jì)算模型，以某臺(tái)600 MW 汽輪發(fā)電機(jī)的定子下層線棒為研究對(duì)象，應(yīng)用有限元法計(jì)算了某一根空心股線發(fā)生部分堵塞時(shí)的溫度場(chǎng)分布，分析了不同堵塞程度對(duì)溫度場(chǎng)的影響.研究表明，當(dāng)空心股線發(fā)生部分堵塞時(shí)，該股線溫度與堵塞系數(shù)有關(guān)，堵塞系數(shù)越大，溫度越高;堵塞系數(shù)有臨界值，超過(guò)此值時(shí)會(huì)導(dǎo)致空心股線內(nèi)冷卻水的換熱能力急劇下降，造成嚴(yán)重后果;在定子線棒內(nèi)部并不是所有部位的溫度均有提高，由于冷卻水流量被重新分配，局部水銅換熱系數(shù)稍有增大，反而會(huì)使線棒內(nèi)部某些部位的溫度較正常時(shí)略低.

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