水輪發(fā)電機(jī)定子繞組端部電動(dòng)力3D分析.doc

2014. 7 大 電 機(jī) 技 術(shù) 791000MW水輪發(fā)電機(jī)定子繞組端部電動(dòng)力3D分析李建富1，周光厚1，肖翦1，劉傳坤1，黃群2（1.東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川 德陽，618000；2.華能景洪水電工程建設(shè)管理局，云南 景洪，666100）摘 要 本文基于3D瞬態(tài)電磁場(chǎng)有限元法，分析了一臺(tái)1000MW、54極的大型水輪發(fā)電機(jī)的端部磁場(chǎng)及繞組電動(dòng)力分布。計(jì)算綜合考了轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)、鐵心飽和、時(shí)變等因素的影響，分析了額定工況及典型事故工況如突然短路和誤合閘下的端部電動(dòng)力的分布規(guī)律，根據(jù)分析結(jié)果有針對(duì)性地提出了端部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)建議。關(guān)鍵詞 水輪發(fā)電機(jī)；定子繞組；端部電動(dòng)力；三維有限元中圖分類號(hào) TM312 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B 文章編號(hào) 1000-3983(2014)07-0075-043D Analyze of Electromagnetic Force Acted on 1000MW Hydrogenerator Stator End WindingLI Jianfu， ZHOU Guanghou，XIAO Jian，LIU Chuankun，HUANG Qun(1.Dongfang Electric Corporation Dongfang Electrical Machinery Co. Ltd.，Deyang 618000，China；2. Huaneng Jinghong HydropowerProjectConstruction&ManagementBureau，Jinghong 666100，China）Abstract:To study the principle of magnetic field and electromagnetic force distribution at the stator end winding of large hydrogenerator, 3D transient electromagnetic field finite element (FE) models of the end region are established respectively. Considering the factors such as rotor motion, core non-linearity and time-varying of electromagnetic field, a 50Hz, 1000MW, 54-poles large hydrogenerator is investigated. The end winding force at rated-load condition and accident conditions such as sudden short-circuit and out of phase synchronization are calculated. The force distribution patterns are analyzed and corresponding design suggestions are made. Keywords: hydrogenerator；stator windings；electromagnetic force；3D finite element1 引言隨著水力發(fā)電技術(shù)的不斷提高，水輪發(fā)電機(jī)單機(jī)容量不斷增加，目前世界上已運(yùn)行的水輪發(fā)電機(jī)最大單機(jī)容量為800MW，而在研的白鶴灘電站單機(jī)有功高達(dá)1000MW，將來甚至可達(dá)1600MW。越來越高的電磁負(fù)荷，使設(shè)計(jì)難度大大增加，如何合理控制高負(fù)荷下的定子端部繞組電動(dòng)力、端部附加損耗、結(jié)構(gòu)件溫度，是對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)者的巨大挑戰(zhàn)。特別地，在發(fā)生系統(tǒng)短路及誤合閘等事故時(shí)，定子繞組最高將產(chǎn)生數(shù)十倍額定值的電動(dòng)力，若端部線棒的固定方式滿足不了要求，巨大的電動(dòng)力可能會(huì)導(dǎo)致端部線棒固定結(jié)構(gòu)破壞，線棒崩開，造成毀滅性后果。準(zhǔn)確地計(jì)算端部電磁場(chǎng)及端部電動(dòng)力，是科學(xué)合理地設(shè)計(jì)電機(jī)電磁方案及端部結(jié)構(gòu)的前提。根據(jù)經(jīng)典的安培電磁力理論，載流導(dǎo)體電磁力性質(zhì)與其電流及所在位置的磁通密度的方向、大小相關(guān)。在故障工況下，強(qiáng)大的沖擊電流產(chǎn)生的端部磁場(chǎng)的計(jì)算精度，是端部電動(dòng)力準(zhǔn)確計(jì)算的關(guān)鍵。對(duì)于端部電動(dòng)力的計(jì)算方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了圖1 崩裂的水輪發(fā)電機(jī)端部線棒大量的研究，計(jì)算方法不斷改進(jìn)。目前工程上廣泛采用的方法是鏡像法結(jié)合Biot-Savart定律進(jìn)行解析求解，這種方法計(jì)算量小，速度快，但忽略了端部結(jié)構(gòu)件的渦流效應(yīng)及端部磁場(chǎng)的非線性。眾所周知水輪發(fā)電機(jī)在事故工況下，巨大的沖擊電流使電機(jī)磁路處于高度飽和，因此忽略非線性對(duì)磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的精確度的影響相當(dāng)大，采用這種方法存在一定的局限性。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，為提高計(jì)算精度，采用全三維運(yùn)動(dòng)電磁有限元數(shù)值方法，全面考慮端部結(jié)構(gòu)的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸、渦流效應(yīng)、非線性效應(yīng)，考慮轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)及勵(lì)磁電流沖擊，綜合分析了三相、兩相突然短路及120度、180度誤合閘等典型嚴(yán)重事故工況下，1000MW水輪發(fā)電機(jī)的端部磁場(chǎng)及電動(dòng)力分布規(guī)律，為1000MW水輪發(fā)電機(jī)的端部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。2 三維數(shù)值分析模型大型水輪發(fā)電機(jī)端部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，包括端部定子繞組漸開線、壓指、壓板、邊段鐵心階梯齒、阻尼環(huán)、磁極壓板等，其中壓指、壓板、阻尼環(huán)、磁極壓板等結(jié)構(gòu)中存在渦流，考慮其渦流對(duì)端部漏磁場(chǎng)的影響。 圖2 大型水輪發(fā)電機(jī)端部結(jié)構(gòu)示意圖 3 1000MW水輪發(fā)電機(jī)端部模型（隱藏空氣域）在端部三維運(yùn)動(dòng)電磁場(chǎng)的求解區(qū)域中，含導(dǎo)電介質(zhì)的渦流區(qū)中，采用三維有限元法表述的發(fā)電機(jī)端部渦流場(chǎng)的控制方程為：其中，為標(biāo)量位，為矢量位，為電流密度，為磁導(dǎo)率。非渦流區(qū)中，電磁場(chǎng)三維有限元控制方程為：鐵心軸向斷面（z=0）上的邊界條件為：求解區(qū)域外圓面和端面上的邊界條件為：3 不同故障工況下定轉(zhuǎn)子電流發(fā)電機(jī)機(jī)端發(fā)生突然短路、誤合閘等是發(fā)電機(jī)運(yùn)行中最為嚴(yán)重的故障工況之一，巨大的沖擊電流和電磁力、電磁轉(zhuǎn)矩可能對(duì)發(fā)電機(jī)軸系、端部固定結(jié)構(gòu)、電機(jī)絕緣等造成嚴(yán)重?fù)p傷。圖4 突然短路、誤合閘等事故網(wǎng)機(jī)耦合仿真模型本文通過電力系統(tǒng)專業(yè)仿真軟件SIMSEN，仿真計(jì)算三相突然短路、兩相突然短路、180誤合閘、120誤合閘等工況下，定轉(zhuǎn)子繞組中的沖擊電流。圖5 三相突然短路定子電流（A相）圖6 三相突然短路勵(lì)磁電流圖7 120度誤合閘定子電流（A相）圖8 120度誤合閘勵(lì)磁電流4 額定負(fù)載分析4.1 額定負(fù)載端部磁場(chǎng)分布將仿真得到的定子三相電流及轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流結(jié)果作為輸入邊界條件，加載在端部三維運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)有限元模型中，以瞬態(tài)磁場(chǎng)3D求解器進(jìn)行計(jì)算，分析其端部磁場(chǎng)分布及電動(dòng)力分布，并與額定工況進(jìn)行對(duì)比。圖9 定子端部鐵心磁密分布圖10 定轉(zhuǎn)子子端部磁密矢量剖面圖4.2 額定負(fù)載電動(dòng)力計(jì)算圖11 端部電動(dòng)力密度某坐標(biāo)點(diǎn)上拉普拉斯力的密度可以用該點(diǎn)的電流密度和磁通密度來表示：某個(gè)體區(qū)域上所受的拉普拉斯力總和表示為：4.2.1 電動(dòng)力在時(shí)間上的分布在時(shí)域上一個(gè)周期內(nèi)，分別在r、z方向上，對(duì)各端部繞組的進(jìn)行積分，可得到各端部繞組電動(dòng)力的時(shí)域分布圖如下。圖12 額定負(fù)載柱坐標(biāo)下A相端部電動(dòng)力一周期的變化結(jié)果可見：a) 頻率方面各線棒電動(dòng)力均以二倍工頻變化；b) 受力方向軸向及徑向分量在一個(gè)周期內(nèi)基本上都是正方向，分別表示向兩端、向外。而切向分量的方向與線棒在相帶中的位置有關(guān)。相帶左側(cè)與右側(cè)的線棒切向受力方向相反。c) 受力大小最大分量是徑向分量，同一相帶中，異相槽線棒(相帶邊緣)受力最大，處于相帶中間的線棒受力最小。需要注意的是，每根線棒的電動(dòng)力都可以分解為一個(gè)不變分量和可變分量。其中不變分量只使線棒產(chǎn)生靜變形，而不會(huì)造成振動(dòng)，可變分量將造成線棒振動(dòng)。因此更應(yīng)該關(guān)心電動(dòng)力峰峰值而不僅是其最大值。4.2.2 電動(dòng)力在空間上的分布為直觀地觀察電動(dòng)力在圓周上分布，將一對(duì)極下對(duì)應(yīng)的線棒受力以電角度作圖，每60為一個(gè)相帶，0-60為A相帶，其他依次分別為Z, B, X, C, Y相帶。圖13 額定工況A相電流相位為0、45、90、135度時(shí)徑向電動(dòng)力分布5 故障工況分析采用同樣的方法，對(duì)三相突然短路、兩相突然短路、120度誤合閘、180度誤合閘等事故工況進(jìn)行了分析。圖14 180誤合閘6、10、14、16ms的徑向受力圖15 180誤合閘6、10、14、16ms的切向受力圖16 180誤合閘6、10、14、16ms的軸向受力 (下轉(zhuǎn)第103頁)(上接第78頁)工況切向力峰峰值（N）徑向力峰峰值（N）軸向力峰峰值（N）額定負(fù)載177.2328.954.3三相突然短路12738.88211.34627.3兩相突然短路12911.56880.74159.5120誤合閘12288.17172.84076.9180誤合閘16172.17579.35866.6綜合不同典型故障工況，三相、兩相及120度誤合閘工況下，電動(dòng)力水平相當(dāng)，而180度誤合閘時(shí)，端部電動(dòng)力水平達(dá)到最大值，其峰峰值達(dá)額定91倍。因此，端部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮180度誤合閘的極端情況。圖17 不同工況端部電動(dòng)力綜合對(duì)比須引起注意的是，在額定工況下，徑向分量最大，但所有非正常工況中，電動(dòng)力的切向分量遠(yuǎn)高于其徑向、軸向分量。因此在設(shè)計(jì)端部支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，要特別注意切向力的作用，采取有效措施加強(qiáng)固定。6 結(jié)論本文采用三維運(yùn)動(dòng)電磁場(chǎng)有限元方法，較全面地考慮端部結(jié)構(gòu)的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸、渦流效應(yīng)、非線性效應(yīng)，考慮轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)及勵(lì)磁電流沖擊，計(jì)算了1000MW水輪發(fā)電機(jī)在額定及多個(gè)典型事故工況下的端部電動(dòng)力，得到了電動(dòng)力在時(shí)間上、空間上的分布規(guī)律，根據(jù)分析結(jié)果，有針對(duì)性地提出了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建議。參 考 文 獻(xiàn)1 畢純輝，李淑鈺，戴景民.水輪發(fā)電機(jī)定子繞組端部電動(dòng)力的計(jì)算J.大電機(jī)技術(shù)，2001(3):11-13.2 張甲 等.大型汽輪