常玉紅，盧偉甫，霍獻東，王 勇，王 濤，詹 陽

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；2.國網(wǎng)新源控股有限公司技術中心，北京市 100161；3.華北電力大學，北京市 102206）

0 引言

抽水蓄能是目前和今后相當一段時期內世界上唯一成熟的超大規(guī)模儲能方式，對保障電網(wǎng)安全以及消納新能源有不可替代的作用[1]。與一般的水輪發(fā)電機相比，抽水蓄能電站使用的發(fā)電電動機存在頻繁的啟停機和發(fā)電電動工況的轉換，另外，轉子部件裝配過程中的一些不當操作，都會造成部件所受的機械應力過大，引發(fā)發(fā)電電動機轉子結構故障。近年來，國內抽水蓄能發(fā)電電動機中，位于轉子勵磁回路中的磁極間連接線頻繁發(fā)生斷裂，嚴重威脅發(fā)電電動機的安全運行。這說明，在發(fā)電電動機磁極連接線的結構設計中，應充分考慮工況轉換和極端工況下應力的變化，明確結構中的薄弱部位，有針對性地改進結構設計，并在裝配工藝方面提出合理的建議，避免降低薄弱部位強度的不當操作。

目前，針對發(fā)電電動機磁極連接線故障已展開了相當多的研究工作。例如，文獻[2]分析了蒲石河機組靠近磁極線圈引出線附近出現(xiàn)線圈開匝的原因，通過計算明確了磁極線圈引出線不當把緊操作產(chǎn)生的機械應力是造成線圈開匝的主要原因。文獻[3]針對剛性、柔性與直接連接、組合連接的極間連接結構，通過對比不同工況下的應力、疲勞壽命和壽命期內的損耗，得到了幾種結構的應力和壽命特點。文獻[4]分析了一臺發(fā)電電動機不同磁極線圈引出線和連接線結構所受的機械應力和疲勞損耗，給出了對磁極連接線結構設計的建議。文獻[5]針對黑麋峰抽水蓄能發(fā)電電動機磁極線圈引出線斷裂故障，綜合應力有限元計算、金相分析和結構尺寸檢查，確定了故障的主要原因。

本文針對一臺18極334MW抽水蓄能發(fā)電電動機的平鋪磁軛型磁極連接線結構，利用有限元模型計算了不同結構參數(shù)和不同運行條件下的應力分布，并根據(jù)計算結果給出了結構參數(shù)的改進建議。

1 發(fā)電電動機的基本參數(shù)和磁極連接線結構

本文研究的發(fā)電電動機基本參數(shù)由表1給出。其磁極連接線采用平鋪磁軛結構，如圖1所示。本臺電機中，根據(jù)磁極線圈引出線的不同位置，磁極連接線有上連接與下連接兩種類型，如圖2所示。

表1 發(fā)電電動機基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of pump storage generator

圖1 平鋪磁軛型磁極連接線Figure 1 Parallel-to-yoke inter-pole connection

圖2 磁極上、下連接線結構Figure 2 Structures of upper and lower inter-pole connection

2 磁極連接線的應力計算

2.1 磁極連接線的機械有限元模型

在發(fā)電電動機運行過程中，磁極連接線隨轉子旋轉，受到離心力的作用。為計算旋轉形成的應力，本文采用Ansys Workbench分別建立了平鋪磁軛型磁極上、下連接線的三維機械力有限元模型，如圖3所示。其中，用扇形圓盤代替了發(fā)電電動機轉子，帶動磁極連接線旋轉。

2.2 磁極連接線額定轉速下的應力計算

在約束條件的設置中，考慮到轉子結構的對稱性，在模型對稱面上施加軸向位移約束，設置邊界條件為極身側面的位移等于零。在載荷的添加中，則通過整體施加相應的旋轉載荷Rotational Velocity來模擬離心力，螺栓上下面設置預緊力。磁極連接線模型的約束和載荷的設置效果如圖4所示。

由有限元模型計算得到額定轉速條件下上磁極連接線的機械應力分布如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，磁極連接線所受的最大應力集中在線圈引出線內側和連接件壓板處，分別為139.20MPa和64.78MPa。

額定轉速時下磁極連接線的機械應力分布如圖6所示，最大應力同樣在線圈引出線內側和連接件壓板處，分別為66.29MPa和29.49MPa。

圖4 模型的約束和載荷的設置Figure 4 Boundary condition and load settings

圖5 額定轉速時上磁極連接線的應力分布Figure 5 Boundary condition and load settings

圖6 額定轉速時下磁極連接線的應力分布Figure 6 Stress distribution of inter-pole connection with the rated speed

3 不同結構參數(shù)和工作狀態(tài)下磁極連接線的應力

為分析結構設計和工作狀態(tài)對磁極連接線應力分布的影響，本章選取磁極連接線彎角半徑、引出線長度和引出線與銅板連接位置（如圖7所示）三個關鍵結構參數(shù)，計算不同結構參數(shù)的磁極連接線在額定轉速、甩負荷和飛逸轉速狀態(tài)下的應力分布。磁極上、下連接線原型設計的彎角半徑均為10mm，引出線長度均為10mm，引出線與銅板的連接螺栓中心距銅板邊緣均為25mm。

3.1 磁極連接線不同彎角半徑的應力分布

分別將磁極間上、下連接的引出線彎角半徑設置為8mm、10mm、12mm和14mm，并將其他結構保持為原型設計參數(shù)，計算額定轉速、甩負荷和飛逸轉速三種狀態(tài)下磁極連接線的應力分布，并且統(tǒng)計不同條件下引出線彎角處與壓板處的最大應力。上、下連接線應力最大值計算結果分別如表2、表3所示。

從計算結果上看，平鋪磁軛型磁極連接線壓板區(qū)域的應力相對于磁極線圈引出線彎角處的應力比較小。而實際中，平鋪磁軛型磁極連接線最常見的斷裂就發(fā)生在引出線彎角處。對磁極線圈引出線不同彎角半徑的應力評估表明，在一定范圍內，隨著彎角半徑的增加，上連接引出線的最大應力明顯減小。從降低引出線彎角的故障概率出發(fā)，宜選取較大的引出線彎角半徑。隨著引出線彎角半徑的增加，下連接引出線的最大應力變化并不明顯。

圖7 磁極連接線關鍵結構參數(shù)Figure 7 Key structural parameters of inter-pole connection

表2 上連接引出線不同彎角半徑下的應力最大值Table 2 Maximum stress with different radii of upper lead

表3 下連接引出線不同彎角半徑下的應力最大值Table 3 Maximum stress with different radii of lower lead

3.2 磁極引出線不同長度的應力分布

分別將磁極間上、下連接的引出線長度設置為5mm、10mm、15mm和20mm，并相應地調整壓板處的基座的高度，使銅板保持與磁軛平行，而其他結構保持為原型設計參數(shù)。計算額定轉速、甩負荷和飛逸轉速三種狀態(tài)下磁極連接線的應力分布，并且統(tǒng)計不同條件下引出線彎角處與壓板處的最大應力。上、下連接線應力最大值計算結果分別如表4、表5所示。

表4 上連接引出線不同長度下的應力最大值Table 4 Maximum stress with different lengths of upper lead

表5 下連接引出線不同長度下的應力最大值Table 5 Maximum stress with different lengths of lower lead

對磁極線圈引出線不同長度條件下的應力評估表明，隨著引出線長度增加，上、下連接件壓板處的最大應力有所增加，但磁極線圈引出線的最大應力明顯降低（尤其在甩負荷和飛逸轉速情況下）。所以，從降低引出線彎角的故障概率出發(fā)，上、下連接都宜選取較長的磁極線圈引出線。

3.3 磁極線圈引出線與銅板不同連接位置下的應力分布

因為上連接線結構的質量和旋轉半徑更大，改變其磁極線圈引出線與銅板的連接位置對應力的影響更加明顯，所以只討論上連接線不同連接位置條件下的應力分布。在保證銅板與引出線接觸面積不變的前提下，銅板沿徑向相對于原型設計分別位移是-5mm、-2mm、0mm（原型設計）、2mm和5mm（如圖8所示），其他結構參數(shù)不變。上述結構的應力最大值計算結果如表6所示。

對比不同連接位置下的最大應力值，可以發(fā)現(xiàn)，連接位置在合理范圍內的變化對最大應力值的影響很小。

圖8 磁極線圈引出線與銅板的不同連接位置Figure 8 Different lead positions of inter-pole connection

表6 上連接線不同連接位置下的應力最大值Table 6 Maximum stress with different positions of upper lead

4 結論

本文計算并對比了一臺抽水蓄能發(fā)電電動機的平鋪磁軛型磁極連接線不同結構參數(shù)條件下的機械應力，得到如下結論：

（1）平鋪磁軛型磁極連接線受到的機械應力主要集中在磁極線圈引出線和磁極連接線下方的壓板處。

（2）平鋪磁軛型磁極連接線中的上連接，宜在一定范圍內選用較大的磁極線圈引出線彎角半徑。

（3）平鋪磁軛型磁極連接線中的上、下連接，宜在合理范圍內選用較大的磁極線圈引出線長度，從而降低引出線的最大應力。