大型全空冷水轮发电机定子线棒损耗和温度场综合计算

大型全空冷水轮发电机定子线棒损耗和温度场综合计算

张子方

北京善水博润电力科技有限公司驻杭州办事处浙江杭州310027

摘要：随着现阶段经济技术的不断增加，水电机组单机容量也会越来越大，因此发电机的安全稳定运行显得越来越重要。在发电设备运行当中，设备的绝缘性能可以说对设备的使用情况有着相当重要的作用，并且绝缘的损耗现象也可以充分的对介质的损耗情况做出判断。在本文当中首先对发电机的通风冷却进行了研究；其次对发电机定子线棒损耗和温度场进行了综合的计算。

关键词：水轮发电机；定子线棒损耗；温度场

在我国的开发利用水资源的过程当中，水轮发电机是重要的电气设备。随着现阶段的水轮发电机的容量在不断的增加，从而水轮发电机的体积也在得到不断的增加，因此在机组的安全可靠性方面也得到了充分的提升。因此就需要对水轮发电机在运行当中出现的耗损现象进行分析，从而根据实际情况，来保证系统运行当中所产生的冷风风量保证足够的供应，从而使冷却效果得到保证，并且最大限度的减少通风损耗，最终实现大型水轮发电机的安全可靠运行。

一、发电机的通风冷却

在我国现阶段的大型水发电机当中，主要是根据其自身的结构特点，来实现系统的分类，其中可以分为全空冷、半水冷（定子绕组水内冷，转子绕组和定子铁心空冷）、双水内冷（定、转子绕组水冷）、全水内冷（定、转子绕组和定子铁心水冷）和蒸发冷却（定子绕组自循环蒸发冷却，转子绕组和定子铁心空冷）等方式。全空气冷却方式主要将空气作为冷却介质来实现，系统当中对定、转子绕组和铁心表面进行冷却，在这个过程当中由于其成熟的技术特点，被得到了广泛的应用。

在我国的全空冷主要应用当中，集中体现在我国的三峡电站，其中的右岸电站26#全空冷700MW巨型水轮发电机于2007年7月成功并网发电。在进行水轮发电机的制造和设计中，需要重点对通风装置的制造精度、验证计算值与实测值的符合性及更完美的空气密封结构等多方面进行考虑。在进行实验的时候需要利用通风模型试验的方式来对水轮发电机通风系统的特点和流体的流动状态进行研究，在对水轮发电机运行当中出现的问题进行不断的改进。

二、发电机定子线棒损耗和温度场的综合计算

1、研究概况

在本文当中，以某地区的一台350MW空冷水轮发电机为研究对象，基本参数如表1所示。在进行研究的过程当中还需要对发电机的定子线棒温升数值模型进行数值参数的对比，在对结果的分析当中，需要利用到电磁场有限元的思路来实现对大型水轮发电机定子线棒涡流损耗及环流损耗进行优化。在进行研究的过程当中，需要在实际情况的基础上进行三维流场和温度场耦合数值模型的建立，从而对该发电机当中的定子线棒的总损耗和温度分布进行分析和计算。在进行计算的时候，需要对同相槽和异相槽在涡流损耗上的区别加以考虑，并且还要对上下层线棒股线在槽内的实际位置所产生的影响加以考虑。经过计算之后，就可以对发电机当中所产生的损耗现象进行分析，并且对其中在运行中所产生的温度场进行计算，最终根据其实际情况来提出相关的优化方案，保证了发电机运行稳定的同时，还最大限度的降低了水轮发电机在运行当中所产生的损耗。

在进行试验计算的过程中，需要对电磁方案的基本参数进行了解和掌握，一般情况下，水轮发电机的上层线棒在运行当中所产生的损耗都是要比下层所产生的损耗要大的多的，因此上层线棒的股线数量为38，下层为34。在对发电机定子绕组当中在运行的情况下所产生的通过电流进行计算的时候，一般情况下会产生槽磁动势及槽宽方向的漏磁通的现象，并且其中所产生的漏磁通使定子绕组股线电流分布不均匀，从而对线棒交流电阻起到了一定程度的增加作用，产生涡流损耗，用Field系数定义为导体的交流电阻和直流电阻之比。

在计算的过程当中，需要选择一个定子来作为主要的研究对象，需要充分的对空间位置对于涡流所产生的影响进行掌握和了解，最终根据其实际的数值情况来进行模型的建立，并且进行计算，网格如图1所示

并且还要对同相槽以及异相槽当中的下层线棒的数值进行计算，经过计算之后，可以发现，同相槽和异相槽的下层线棒在Field系数的差异方面呈现出了几乎相等的状态；而同相槽上层线棒的Field系数则比异相槽增加了27%左右。从中可以发现如果将上下层线棒都视为同相而不考虑异相槽的做法是不全面的，会对非整距绕组中的涡流损耗造成相当大的影响，最终影响发电机的正常稳定的运行现象。

3、方案优化

经过上文当中对发电机的损耗现象进行研究和计算之后，需要根据其实际情况来做出相关的方案优化，在计算当中需要对直流铜耗、涡流附加损耗和环流附加损耗进行分析和计算，最终对定子线棒总损耗进行求解，其结果如表2所示。

将定子槽型加宽加深，并且利用铜量及股线数有所增加。尤其槽经过了不断的加深，因此槽漏磁增加，从而使涡流附加损耗相对有所增加。但是最终使环流附加损耗大幅下降，同相槽环流损耗降幅61.56%，异相槽环流损耗也下降了38.85%，总体使槽部线棒的总损耗下降了约25%。综合下来，优化后损耗密度同比有较大幅度的下降。

在对温度场进行计算的过程当中，需要充分的利用采用高精度的流场与温度场耦合技术来进行参数的计算和分析。经过计算之后，从而实现对该水轮发电的定子线棒进行不断的优化，采用模拟化的方式进行计算和分析。

最终，利用对称性和周期性，可以实现在圆周上选取一个定子齿距作为流场与温度场求解区域，并且在轴向选取一个铁心段，从而实现可以在计算当中得到最大限度的缩小规模的现象。在计算的过程当中，需要对各方面的部件进行计算，从而保证对发电机当中各部分的部件都可以进行温度场的全面计算，其中包括气隙、定子铁心、定子线圈、线棒主绝缘、层间绝缘、通风槽钢等部件组成。并且在水轮发电机当中的径向当中所体现出来的是充分湍流换热问题，也就是在通风沟流体雷诺数远大于内流临界雷诺数。

最后，在大型的水轮发电机内部当中所存在的空气压强是相对不大的，因此可以充分的利用不可压缩气体湍流模型对发电机定子通风沟内的流场及温度场进行求解。在根据电机当中的实际情况的基础上来实现对流场的计算，以此来对温度场做计算和模拟，最后还可以利用三层边界壁面函数模型来模拟线棒背部的分离流，可以得到更符合实际流场特征的计算结果。

结语：综上所述，在进行水轮发电机的研究当中，需要对其中的损耗进行有效的降低从而实现最大限度的改善通风和冷却系统的效果。在此过程当中，就需要对系统运行当中的一系列问题进行充分的研究，最终建立起不同方案的通风系统的复杂结构当中的等效风路模型，实现定子等效模型的充分研究，最终在结合不同的情况下实现对系统的整体计算和分析，对其中存在的损耗现象进行不断的研究，提出改善的措施，最终实现降低损耗的目标。

参考文献：

[1]杜灿勋,桂卫华,周光厚等.大型全空冷水轮发电机定子线棒损耗和温度场综合计算[J].中国电机工程学报,2012,32(12):111-119.

[2]刘晓雪.水轮发电机定子绕组环流损耗对温升分布的影响[D].哈尔滨理工大学,2014.

[3]杜灿勋.大型全空冷水轮发电机组故障诊断与分析方法研究[D].中南大学,2013..

[4]王颖.水轮发电机定子绕组换位股线的温度场计算与分析[D].哈尔滨理工大学,2016.