刘明慧,咸哲龙,赵继敏

(1.上海交通大学,上海 200240;2.上海电气电站设备有限公司上海发电机厂,上海 200240)

1 前言

大型汽轮发电机转子负序温升和负序能力计算是汽轮发电机设计必须考虑的主要内容之一,它直接关系到汽轮发电机组的运行性能和安全稳定性。因此,准确的负序温升和负序能力计算不仅是制造厂追求的目标,同时也是电机运行部门关注的重要问题之一。

暂态负序能力是发电机在额定方式下发生不对称故障时所能承受的短时负序电流的能力,这一负序电流在定子内出现负序旋转磁通,以同步速度与转子相反方向旋转,在励磁绕组、阻尼绕组及转子本体中感应出两倍工频的电流,从而引起这些部位的附加损耗而发热。由于产生的两倍工频感应电流频率较高,集肤效应较大,不容易穿入转子深处(因深处感抗较大),只集中在转子表面,感应电流流过转子槽楔,阻尼槽楔及槽楔连接处,而这些地方电阻较高,发热尤为严重,可能出现局部高温,破坏转子绕组绝缘。

本文所研究的发电机为 QFSN型 800MW级水氢氢发电机,该发电机转子大齿上每极开有 4个阻尼槽,槽内放置高导电率、高强度的含银铜槽楔,可使发电机在不平衡负载时减少在横向槽边缘处的阻尼电流和由此引起的在尖角处的温度急剧升高,有效地提高了发电机承受负序的能力。整个轴向大齿上还开有等间距的月牙槽,以平衡转子挠度,减少双频振动。转子共开有 32个槽,槽楔材料为铝合金或铜合金。本文采用三维绘图软件 So1idWorks绘制发电机负序涡流场模型,导入至有限元分析软件Ansys中进行计算分析。

2 数值计算模型

2.1 发电机物理计算模型的基本假定

本文采用的物理模型,考虑了发电机定子铁心、定子绕组、转子铁心、转子绕组、转子槽楔、阻尼槽楔及月牙槽。

图1 800W水氢氢发电机涡流分析模型

根据有限元分析并在满足工程需要的前提下,可以对物理模型作一些简化和假设:

(1)忽略定子线圈中的涡流;

(2)转子绕组采用氢内冷技术,转子绕组中的负序发热基本上被冷却介质带走,转子绕组的温度为恒定值,故忽略转子线圈中的涡流;

(3)激励源与各场量均按正弦规律变化,忽略谐波分量;

(4)忽略位移电流;

(5)材料的电磁性质呈线性、各向同性特征。

2.2 三维负序涡流场数值计算的有限元模型

2.2.1 计算区域

在发电机的周向,取整个圆周作为计算区域;在发电机的径向方向,取定、转子槽底开始,向外延伸20mm区域;在发电机的轴向,从转子上截取连续的一段,包含一个完整的月牙槽、两部分半个非开槽部分区域。

2.2.2 边界条件

由于模型的对称性,在模型外表面,包括定子铁心内径(气隙外径)处、转子本体内径处、整个模型前后端面磁场的垂直分量为零;计算区域周向的两个端面,满足半周期边界条件。

图2 800MW水氢氢发电机涡流场边界

2.2.3 负序电流处理

按给定负序电流的实际值,确定每相绕组电流的大小和相位(见图 3),再根据定子绕组的实际分布规律,确定每个定子槽的负序电流密度。

考虑到计算结果处理与实际计算中加载的方便,在计算过程,定子线圈内的上下层绕组用一个单独等效线圈来模拟。为保证等效后定子负序电流产生的磁场不变,模拟线圈中的电流值为原来上、下层绕组电流的矢量叠加。

图3 施加的负序电流分布

2.3 发电机负序温度场计算的有限元模型

2.3.1 计算区域

为提高计算效率,负序温度场的计算模型同涡流场模型相同。

在耦合计算的热分析中,该模型的定子与气隙在计算迭代过程中为非计算区域。

2.3.2 边界条件

转子绕组表面温度、转子槽楔及阻尼槽楔表面温度为恒定值,为第一类边界条件。转子表面(包括月牙槽表面)及轴向端面为对流换热(第三类)边界条件;其他面,如转子绕组内表面及转子绕组与槽楔接触面为绝热边界条件(第二类奇次边界条件)见图 4。

2.3.3 热源的处理

由定子侧负序电流引起的实心转子内的负序涡流损耗(热源),直接应用前述三维涡流场的数值计算结果,计算出相应各点的平均负序热源密度后,作为点源直接耦合到三维温度场数值计算模型中。

同时,考虑到负序温升是在电机正在运行温升基础上负序损耗引起的各点温度变化,因此,在热源处理时,本文既考虑负序损耗,又考虑发电机(转子)正常的铜耗。

3 稳态负序运行能力的计算与分析

在进行稳态负序运行能力计算时,负序电流的有效值取发电机额定电流的 8%和 10%。在分析过程中,本文还分别取了转子槽楔材料为铝合金和铜合金两种不同的材质。在该负序电流作用下,当转子槽楔材料为铝合金材质时,应用 ANSYS商用软件计算得出的发电机中的磁通分布见图 3,发电机转子中涡流的分布见图 7。

图6 模型中算得的发电机中的磁通分布

图7 模型中算得的发电机转子中的涡流分布

以上计算结果可以看出,在月牙槽附近,电流方向发生明显变化,挤流效应非常明显。同时当矢量磁位的最大值大致在大齿的中间位置时,相同负序电流引起的涡流被挤压的现象最为明显。

(2)转子涡流损耗及最高温度

不同负序电流下,采用不同转子槽楔材质时的发电机涡流损耗及转子本体最高温度,见表 1。

表1 发电机涡流损耗及转子最高温度

从上表可以看出:采用铝合金及铜合金两种材质的转子槽楔,在相同负序电流下,转子最高温升相同,在无阻尼槽楔设计时,转子最高温升比有阻尼槽楔设计时大 12K。

4 结语

(1)本文采用三维有限元方法对 800MW级负序能力进行了研究,结果表明具有高导电率转子槽楔和阻尼槽楔的转子结构,能够保证良好的稳态负序能力;

(2)本文对不同转子槽楔材料(铝合金及铜合金)时的稳态负序能力进行了研究,结果表明两种材质对发电机转子温升影响不大;

(3)本文对转子阻尼结构对稳态负序能力的影响进行了研究,结果表明,在相同的负序电流下,无此阻尼结构设计时的转子表面最高温升比有此阻尼结构时大很多。

[1]董建洋.百万千瓦级汽轮发电机负序运行能力研究[D].杭州:浙江大学,2006.

[2]汪耕,李希明.大型汽轮发电机设计、制造与运行[M].上海:上海科学技术出版社.2000.

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