張建濤，胡　剛

(哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司， 黑龍江哈爾濱　150040)

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水輪發(fā)電機定子線棒保護方案分析

張建濤，胡剛

(哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司， 黑龍江哈爾濱150040)

摘要：指出水輪發(fā)電機定子鐵心背部的定位筋，在發(fā)電機長時間運行后鐵心振動易造成邊緣鐵心沖片錯位而危害定子線棒絕緣。用有限元法分析了在邊端鐵心增加不銹鋼銷或在定子邊端鐵心槽底加裝U形鋼板兩種方案帶來的損耗、電壓、電流等問題。分析表明后一方案損耗略大但不會引起片間電流且工藝簡單，是解決定子鐵心邊端振動的一個可行方案。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機；鐵心；振動；有限元；定子線棒

0引言

在水輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)設(shè)計中，定子鐵心背部多采用定位筋，鐵心中無穿心螺桿。長時間運行后，鐵心有一定松動，在電機負(fù)荷突變或故障工況下，定子鐵心的振動加劇，易引起邊端鐵心沖片沿徑向錯位，對定子線棒的絕緣構(gòu)成危害。

在炳靈、康揚等水電站的改造過程中，均發(fā)現(xiàn)過這類問題。為此，提出兩種改造方案：一是在邊端鐵心增加不銹鋼銷，用于固定邊端鐵心的沖片，消除沖片振動；二是在定子邊端鐵心的槽底加裝U形鋼板，以保護線棒絕緣不受沖片損害。

文章以一個12極，252槽的水輪發(fā)電機為例，采用電磁場數(shù)值分析方法，對這兩種方案所帶來的影響進(jìn)行分析，包括發(fā)熱、電流、電壓等問題，最后確定最優(yōu)方案。[1-3]

1邊端鐵心加裝不銹鋼銷子

圖1為不銹鋼銷子的安裝示意圖。水輪發(fā)電機鐵心加裝不銹鋼銷子后，銷子與邊端鐵心緊配合，由此可能導(dǎo)致邊端鐵心的硅鋼片形成片間短路，與銷子形成閉合回路，從而在硅鋼片中產(chǎn)生電流及附加損耗，下面分別對其進(jìn)行計算。

圖1　不銹鋼銷安裝示意圖

1.1損耗計算

1.1.1計算模型

圖2　計算模型

采用三維有限元法來分析不銹鋼銷產(chǎn)生的損耗。假設(shè)在一個12極，252槽的水輪發(fā)電機的邊端鐵心加裝N個不銹鋼銷子(不銹鋼銷子的數(shù)量N可根據(jù)實際情況選取。假設(shè)N為72)。圖2為建立的十二分之一計算模型，邊端鐵心軸向長42 mm。同時，假定鋼銷與邊端鐵心緊配合，由此導(dǎo)致邊端鐵心的硅鋼片間形成片間短路。假定短路電流在徑向長度為50 mm的鐵心邊緣范圍內(nèi)，故對這一部分單獨建模。

為簡化分析，忽略定子端部的軸向磁場，同時假定這一鐵心邊緣部分為磁導(dǎo)率各向同性，而電導(dǎo)率各向異性，即沿徑向、周向為一定值，而軸向為0，計算不銹鋼銷帶來的損耗。

1.1.2計算結(jié)果

圖3和圖4為三維有限元法計算得到的磁場分布和鐵心邊緣的損耗分布。單個不銹鋼銷的損耗為0.022 W，整臺電機的不銹鋼銷所帶來損耗為11.1 W，鐵心邊緣產(chǎn)生的損耗為49.2 W。加裝不銹鋼銷子后產(chǎn)生的總損耗為60.3 W，損耗不大。

圖3　磁場分布

圖4　鐵心邊緣損耗

1.2不銹鋼銷電勢電流計算

1.2.1計算模型

為分析不銹鋼銷子的電勢和電流，需做如下假設(shè)：

1) 從圖1可看出，不銹鋼銷子只有一部分被打入邊端鐵心當(dāng)中，外面部分由于離定子繞組較遠(yuǎn)，磁密很少，故不考慮裸露在外的部分，只考慮鐵心中的一段。

2) 為計算通過不銹鋼銷子中的電流，假設(shè)銷子間通過硅鋼片短接，從而形成回路。

根據(jù)以上假設(shè)，建立場路耦合的二維有限元求解域，如圖5所示。圖6為不銹鋼銷等值電路，其中M1～MN為銷子等值導(dǎo)體，R1～RN為連接銷子的硅鋼片等值電阻。在圖7中，銷子1和銷子2為不銹鋼銷打入鐵心中的部分(約42mm)，陰影部分為硅鋼片，箭頭為銷子和硅鋼片形成的回路的電流方向，假設(shè)硅鋼片全部通過銷子短接，則可將42mm厚的硅鋼片沿虛線均分成兩部分，上下兩部分的電阻也就是R1～RN的阻值。

圖5　二維求解域

圖6　不銹鋼銷等值電路

圖7　銷子截面示意圖

1.2.2計算結(jié)果

圖8和圖9為計算得到的銷子的電壓和當(dāng)兩部短接時流過銷子中的電流。結(jié)果可以看出，銷子兩端的電壓很小，最大峰值不到0.2V，而流過硅鋼片的最大電流為20A。因此，在邊段鐵心中加不銹鋼銷子，會在邊段鐵心中產(chǎn)生較大的電流，該電流在邊端鐵心中產(chǎn)生的渦流損耗為33.8W，接近于三維場計算結(jié)果。

圖8　銷子感應(yīng)電壓

圖9　硅鋼片中的電流

2邊端鐵心槽底放不銹鋼板

圖10為在邊端鐵心的槽底放置的U形鋼板。由于鋼板采用不銹鋼材料，離定子線棒很近，有可能產(chǎn)生過熱問題。鋼板部分在槽內(nèi)，部分在槽外，所處的磁場完全不同，故將其分兩部分。采用二維電磁場有限元法，分別計算兩部分鋼板各自產(chǎn)生的渦流損耗。

圖10　鋼板示意圖

2.1計算模型

根據(jù)水輪發(fā)電機的實際結(jié)構(gòu)，擬在鐵心端部的槽底放置一U形鋼板，軸向長度為42 mm。為此，可建立電機的二維有限元模型，如圖11所示。在定子繞組上施加三相額定電流，轉(zhuǎn)子上施加額定勵磁電流，采用二維瞬態(tài)磁場進(jìn)行計算，就可以得到電機的磁場分布和鋼板的損耗分布。

圖11　槽內(nèi)鋼板損耗計算模型

2.2計算結(jié)果

圖12為計算得到的電機二維磁力線分布。圖13為其中一個U形鋼板的損耗分布?？梢钥闯?，損耗主要集中在鋼板的開口位置。圖14為得到的單個鋼板的損耗在一個周期內(nèi)隨時間的變化曲線，則可以得到單個鋼板的平均損耗為1.6 W。

圖12　二維磁場分布

圖13　鋼板開口處損耗分布

圖14　單個鋼板損耗隨時間的變化曲線

2.3槽外鋼板損耗計算

2.3.1計算模型

將圖11所示的計算模型中的定轉(zhuǎn)子鐵心材料換成空氣，就可建立圖15所示的鋼板槽外部分損耗的計算模型，并采用二維有限元法進(jìn)行計算。

圖15　鋼板槽外部分損耗計算模型

2.3.2計算結(jié)果

圖16為其中一個U形鋼板槽外部分的損耗分布，單個鋼板的平均損耗為0.02 W，損耗很小，基本可以忽略，因此，在分析時，可以完全不考慮槽外部分，只考慮槽內(nèi)部分即可。

圖16　鋼板槽外部分的損耗

從以上分析可以看出，在槽底加U形薄鋼板，每個鋼板可以產(chǎn)生1.62 W的損耗，則整臺電機用U形薄鋼板所產(chǎn)生的總損耗為816.5 W，不會產(chǎn)生過熱問題，而且對電機不會造成別的影響。

3結(jié)語

將兩種方案的計算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。分析表明，加裝不銹鋼銷會引起硅鋼片片間短路，導(dǎo)致?lián)p耗增加。雖然損耗不大，但在鐵心中產(chǎn)生了較大的片間電流，這是不允許的。而在槽底加一U形鋼板，損耗雖然比加裝不銹鋼銷引起的損耗略有增加，但沒有電流的影響，而且工藝也較簡單，易于實現(xiàn)。因此為了有效防止定子沖片的徑向振動，保護定子線棒的最優(yōu)方案是在定子邊端鐵心的槽底加U形鋼板。

表1　兩種方案對比

研究成果解決了老機型水輪發(fā)電機邊端鐵心由于徑向振動而損害定子線棒絕緣的問題，對水輪發(fā)電機的改造項目提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 白延年.水輪發(fā)電機的設(shè)計與計算[M].北京：機械工業(yè)出版社，1982.

[2] 謝德馨，姚纓英，白保東.三維渦流場的有限元分析[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[3] 莫會成，閔琳，于志剛，等.電機用硅鋼片鐵耗研究[J].微電機，2008，41(28)：5-7.