劉明慧,咸哲龍,趙繼敏

(1.上海交通大學(xué),上海 200240;2.上海電氣電站設(shè)備有限公司上海發(fā)電機(jī)廠,上海 200240)

1 前言

大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子負(fù)序溫升和負(fù)序能力計(jì)算是汽輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)必須考慮的主要內(nèi)容之一,它直接關(guān)系到汽輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行性能和安全穩(wěn)定性。因此,準(zhǔn)確的負(fù)序溫升和負(fù)序能力計(jì)算不僅是制造廠追求的目標(biāo),同時(shí)也是電機(jī)運(yùn)行部門關(guān)注的重要問(wèn)題之一。

暫態(tài)負(fù)序能力是發(fā)電機(jī)在額定方式下發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)所能承受的短時(shí)負(fù)序電流的能力,這一負(fù)序電流在定子內(nèi)出現(xiàn)負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁通,以同步速度與轉(zhuǎn)子相反方向旋轉(zhuǎn),在勵(lì)磁繞組、阻尼繞組及轉(zhuǎn)子本體中感應(yīng)出兩倍工頻的電流,從而引起這些部位的附加損耗而發(fā)熱。由于產(chǎn)生的兩倍工頻感應(yīng)電流頻率較高,集膚效應(yīng)較大,不容易穿入轉(zhuǎn)子深處(因深處感抗較大),只集中在轉(zhuǎn)子表面,感應(yīng)電流流過(guò)轉(zhuǎn)子槽楔,阻尼槽楔及槽楔連接處,而這些地方電阻較高,發(fā)熱尤為嚴(yán)重,可能出現(xiàn)局部高溫,破壞轉(zhuǎn)子繞組絕緣。

本文所研究的發(fā)電機(jī)為 QFSN型 800MW級(jí)水氫氫發(fā)電機(jī),該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子大齒上每極開有 4個(gè)阻尼槽,槽內(nèi)放置高導(dǎo)電率、高強(qiáng)度的含銀銅槽楔,可使發(fā)電機(jī)在不平衡負(fù)載時(shí)減少在橫向槽邊緣處的阻尼電流和由此引起的在尖角處的溫度急劇升高,有效地提高了發(fā)電機(jī)承受負(fù)序的能力。整個(gè)軸向大齒上還開有等間距的月牙槽,以平衡轉(zhuǎn)子撓度,減少雙頻振動(dòng)。轉(zhuǎn)子共開有 32個(gè)槽,槽楔材料為鋁合金或銅合金。本文采用三維繪圖軟件 So1idWorks繪制發(fā)電機(jī)負(fù)序渦流場(chǎng)模型,導(dǎo)入至有限元分析軟件Ansys中進(jìn)行計(jì)算分析。

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 發(fā)電機(jī)物理計(jì)算模型的基本假定

本文采用的物理模型,考慮了發(fā)電機(jī)定子鐵心、定子繞組、轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組、轉(zhuǎn)子槽楔、阻尼槽楔及月牙槽。

圖1 800W水氫氫發(fā)電機(jī)渦流分析模型

根據(jù)有限元分析并在滿足工程需要的前提下,可以對(duì)物理模型作一些簡(jiǎn)化和假設(shè):

(1)忽略定子線圈中的渦流;

(2)轉(zhuǎn)子繞組采用氫內(nèi)冷技術(shù),轉(zhuǎn)子繞組中的負(fù)序發(fā)熱基本上被冷卻介質(zhì)帶走,轉(zhuǎn)子繞組的溫度為恒定值,故忽略轉(zhuǎn)子線圈中的渦流;

(3)激勵(lì)源與各場(chǎng)量均按正弦規(guī)律變化,忽略諧波分量;

(4)忽略位移電流;

(5)材料的電磁性質(zhì)呈線性、各向同性特征。

2.2 三維負(fù)序渦流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的有限元模型

2.2.1 計(jì)算區(qū)域

在發(fā)電機(jī)的周向,取整個(gè)圓周作為計(jì)算區(qū)域;在發(fā)電機(jī)的徑向方向,取定、轉(zhuǎn)子槽底開始,向外延伸20mm區(qū)域;在發(fā)電機(jī)的軸向,從轉(zhuǎn)子上截取連續(xù)的一段,包含一個(gè)完整的月牙槽、兩部分半個(gè)非開槽部分區(qū)域。

2.2.2 邊界條件

由于模型的對(duì)稱性,在模型外表面,包括定子鐵心內(nèi)徑(氣隙外徑)處、轉(zhuǎn)子本體內(nèi)徑處、整個(gè)模型前后端面磁場(chǎng)的垂直分量為零;計(jì)算區(qū)域周向的兩個(gè)端面,滿足半周期邊界條件。

圖2 800MW水氫氫發(fā)電機(jī)渦流場(chǎng)邊界

2.2.3 負(fù)序電流處理

按給定負(fù)序電流的實(shí)際值,確定每相繞組電流的大小和相位(見(jiàn)圖 3),再根據(jù)定子繞組的實(shí)際分布規(guī)律,確定每個(gè)定子槽的負(fù)序電流密度。

考慮到計(jì)算結(jié)果處理與實(shí)際計(jì)算中加載的方便,在計(jì)算過(guò)程,定子線圈內(nèi)的上下層繞組用一個(gè)單獨(dú)等效線圈來(lái)模擬。為保證等效后定子負(fù)序電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)不變,模擬線圈中的電流值為原來(lái)上、下層繞組電流的矢量疊加。

圖3 施加的負(fù)序電流分布

2.3 發(fā)電機(jī)負(fù)序溫度場(chǎng)計(jì)算的有限元模型

2.3.1 計(jì)算區(qū)域

為提高計(jì)算效率,負(fù)序溫度場(chǎng)的計(jì)算模型同渦流場(chǎng)模型相同。

在耦合計(jì)算的熱分析中,該模型的定子與氣隙在計(jì)算迭代過(guò)程中為非計(jì)算區(qū)域。

2.3.2 邊界條件

轉(zhuǎn)子繞組表面溫度、轉(zhuǎn)子槽楔及阻尼槽楔表面溫度為恒定值,為第一類邊界條件。轉(zhuǎn)子表面(包括月牙槽表面)及軸向端面為對(duì)流換熱(第三類)邊界條件;其他面,如轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)表面及轉(zhuǎn)子繞組與槽楔接觸面為絕熱邊界條件(第二類奇次邊界條件)見(jiàn)圖 4。

2.3.3 熱源的處理

由定子側(cè)負(fù)序電流引起的實(shí)心轉(zhuǎn)子內(nèi)的負(fù)序渦流損耗(熱源),直接應(yīng)用前述三維渦流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果,計(jì)算出相應(yīng)各點(diǎn)的平均負(fù)序熱源密度后,作為點(diǎn)源直接耦合到三維溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模型中。

同時(shí),考慮到負(fù)序溫升是在電機(jī)正在運(yùn)行溫升基礎(chǔ)上負(fù)序損耗引起的各點(diǎn)溫度變化,因此,在熱源處理時(shí),本文既考慮負(fù)序損耗,又考慮發(fā)電機(jī)(轉(zhuǎn)子)正常的銅耗。

3 穩(wěn)態(tài)負(fù)序運(yùn)行能力的計(jì)算與分析

在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)負(fù)序運(yùn)行能力計(jì)算時(shí),負(fù)序電流的有效值取發(fā)電機(jī)額定電流的 8%和 10%。在分析過(guò)程中,本文還分別取了轉(zhuǎn)子槽楔材料為鋁合金和銅合金兩種不同的材質(zhì)。在該負(fù)序電流作用下,當(dāng)轉(zhuǎn)子槽楔材料為鋁合金材質(zhì)時(shí),應(yīng)用 ANSYS商用軟件計(jì)算得出的發(fā)電機(jī)中的磁通分布見(jiàn)圖 3,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中渦流的分布見(jiàn)圖 7。

圖6 模型中算得的發(fā)電機(jī)中的磁通分布

圖7 模型中算得的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中的渦流分布

以上計(jì)算結(jié)果可以看出,在月牙槽附近,電流方向發(fā)生明顯變化,擠流效應(yīng)非常明顯。同時(shí)當(dāng)矢量磁位的最大值大致在大齒的中間位置時(shí),相同負(fù)序電流引起的渦流被擠壓的現(xiàn)象最為明顯。

(2)轉(zhuǎn)子渦流損耗及最高溫度

不同負(fù)序電流下,采用不同轉(zhuǎn)子槽楔材質(zhì)時(shí)的發(fā)電機(jī)渦流損耗及轉(zhuǎn)子本體最高溫度,見(jiàn)表 1。

表1 發(fā)電機(jī)渦流損耗及轉(zhuǎn)子最高溫度

從上表可以看出:采用鋁合金及銅合金兩種材質(zhì)的轉(zhuǎn)子槽楔,在相同負(fù)序電流下,轉(zhuǎn)子最高溫升相同,在無(wú)阻尼槽楔設(shè)計(jì)時(shí),轉(zhuǎn)子最高溫升比有阻尼槽楔設(shè)計(jì)時(shí)大 12K。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)本文采用三維有限元方法對(duì) 800MW級(jí)負(fù)序能力進(jìn)行了研究,結(jié)果表明具有高導(dǎo)電率轉(zhuǎn)子槽楔和阻尼槽楔的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),能夠保證良好的穩(wěn)態(tài)負(fù)序能力;

(2)本文對(duì)不同轉(zhuǎn)子槽楔材料(鋁合金及銅合金)時(shí)的穩(wěn)態(tài)負(fù)序能力進(jìn)行了研究,結(jié)果表明兩種材質(zhì)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫升影響不大;

(3)本文對(duì)轉(zhuǎn)子阻尼結(jié)構(gòu)對(duì)穩(wěn)態(tài)負(fù)序能力的影響進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,在相同的負(fù)序電流下,無(wú)此阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的轉(zhuǎn)子表面最高溫升比有此阻尼結(jié)構(gòu)時(shí)大很多。

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