大型水輪發(fā)電機定子匯流環(huán)的結構布局及其影響淺析

賈敬禮，覃國茂

（向家壩水力發(fā)電廠，四川 宜賓 644612）

1 引言

隨著機組單機容量的不斷增大，發(fā)電機定子匯流環(huán)的結構以及布置方式也出現(xiàn)了多種形式，不同結構和布局的匯流環(huán)設計勢必會對匯流環(huán)自身的受力和發(fā)熱產(chǎn)生不同的影響。本文針對三峽電廠和向家壩電廠幾種典型機型的匯流環(huán)結構，從受力和發(fā)熱這兩個角度做簡單的分析介紹。

2 發(fā)電機匯流環(huán)的結構設計和布局對匯流環(huán)的影響關系

2.1 發(fā)電機匯流環(huán)的結構設計和布局對匯流環(huán)受力的影響

發(fā)電機在正常運行過程中，由于匯流環(huán)通常為整圓布置，在發(fā)電機圓周任意截面上，同時存在多根匯流環(huán)。匯流環(huán)中存在有正弦交流電，因此任一位置匯流環(huán)所處的磁場都是由其他相鄰匯流環(huán)交變電流產(chǎn)生的磁場以及定子繞組雜散磁場構成的一個合成磁場，這樣機組在正常運行的情況下，流過交流電的匯流環(huán)就會在合成磁場的作用下，受到電磁力的作用。

同樣當與發(fā)電機相連接的電力系統(tǒng)設備（包括出口母線、變壓器和高壓輸電系統(tǒng)）發(fā)生故障，或者發(fā)電機內(nèi)部出現(xiàn)絕緣故障產(chǎn)生突然短路時，定子繞組以及匯流環(huán)中會出現(xiàn)很大的沖擊電流，其峰值可能達到額定電流的幾十倍，會在匯流環(huán)內(nèi)產(chǎn)生很大的電磁沖擊力。因此，不同的匯流環(huán)結構和布局必定會對各個位置發(fā)電機匯流環(huán)的受力情況產(chǎn)生不同的影響。

2.2 發(fā)電機匯流環(huán)的結構設計和布局對匯流環(huán)發(fā)熱的影響

發(fā)電機無論是在正常運行過程中，還是在故障狀況下，匯流環(huán)都會有一定的損耗，從而引起銅環(huán)發(fā)熱。再加之有集膚效應和鄰近效應的存在，匯流環(huán)的布局又會對不同位置匯流環(huán)中的電流密度產(chǎn)生不同影響；另外對于全空冷水輪發(fā)電機組而言，匯流環(huán)的冷卻主要依靠無風扇磁軛通風系統(tǒng)（全空冷）來實現(xiàn)（如圖1所示），因此，不同的匯流環(huán)布置也勢必對發(fā)電機匯流環(huán)的冷卻效果產(chǎn)生不同的影響。

圖1 發(fā)電機無風扇磁軛通風冷卻系統(tǒng)

3 發(fā)電機不同狀況下的匯流環(huán)受力以及發(fā)熱計算

為了能夠更加清楚的掌握不同狀況下，不同匯流環(huán)結構設計的發(fā)電機其匯流環(huán)的受力和發(fā)熱情況，發(fā)電機在設計過程中需要對匯流環(huán)進行量化的計算，下面就具體的計算方法做簡單的介紹。

匯流環(huán)的布局不同，其每一根銅環(huán)所受到的電磁力的大小和方向均不同，對匯流環(huán)受力的計算，通常采用有限元數(shù)值方法進行計算分析。由于匯流環(huán)布置復雜，若對每一種布置、每一根銅環(huán)都分別進行有限元計算，工作量十分龐大，很難實現(xiàn)。為了簡化計算而不影響計算結果，通常先利用解析的方法對每種布置情況的每根銅環(huán)受力進行計算，以確定受力最大的單根銅環(huán)及其受力點位置，再通過有限元的方法就能夠準確的計算出該銅環(huán)所受的最大電磁力。

對于匯流環(huán)的發(fā)熱計算，主要取決于導體損耗、導體外形尺寸、集膚效應和鄰近效應系數(shù)，風速等諸多因素。在水輪發(fā)電機組以及其它大電流設備中，引出線往往采用多根導線平行排列，每根導線截面中的電流密度分布不僅由于其本身電流的作用會出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，同時還會因在鄰近空間有其它導線存在以及其中的電流作用而進一步改變其分布。前者由于本身電流而引起的電流密度分布不均勻現(xiàn)象，稱為集膚效應，后者稱為鄰近效應。在水輪發(fā)電機組匯流環(huán)發(fā)熱計算中，常用集膚效應系數(shù)和鄰近效應系數(shù)來計及上述兩種效應所引起的損耗的增加。一般情況下匯流環(huán)中最大的集膚效應和鄰近效應系數(shù)經(jīng)常發(fā)現(xiàn)是在匯流環(huán)較多的軸向中間位置，再通過采用局部熱網(wǎng)絡計算方法，從而獲得匯流環(huán)表面熱負荷和匯流環(huán)銅溫升。

檢查者位于嬰兒左側，手法必須溫柔，左手置于右肋緣下腹直肌外緣處，以食指和無名指按壓腹直肌，用中指指端輕輕向深部按摸，可觸到橄欖形、光滑質(zhì)硬的幽門腫塊，1～2cm大小。在嘔吐之后胃空虛且腹肌暫時松弛時易于捫及。偶爾肝臟的尾葉或右腎被誤診為幽門腫塊。但在腹肌不松弛或胃擴張時可能捫不到，可等胃排空后，邊喂糖水邊檢查。

4 幾種典型機型的銅環(huán)受力以及發(fā)熱的計算情況

4.1 受力計算

4.1.1 向家壩HEC（哈電）機組銅環(huán)受力計算

向家壩HEC機組發(fā)電機定子繞組采用每相8支路并聯(lián)的方式，三相Y連接，匯流環(huán)主要采用每層三環(huán)，總計8層的匯流銅管布置方式，如圖2：

圖2 向家壩HEC發(fā)電機定子匯流銅環(huán)的布置方式

根據(jù)匯流環(huán)受力的計算方法，其計算結果如表1所示：

表1 向家壩HEC機組銅環(huán)受力統(tǒng)計表

從表1中的計算結果中我們可以看到，匯流環(huán)受力最大的位置位于圖2中31截面，即位于發(fā)電機主引線匯流環(huán)比較密集的地帶，且在機組發(fā)生180°誤同期的工況下該處銅環(huán)受到的電磁力最大，最大為12 360 N/m。

4.1.2 三峽地下電站DEC（東電）機組銅環(huán)受力計算

三峽地下電站DEC機組發(fā)電機定子繞組采用每相5支路并聯(lián)的方式，三相Y連接，匯流環(huán)主要采用每層一環(huán)，總計8層（主引出線位置有10層）的匯流環(huán)布置方式，如下圖3：

圖3 三峽地下電站DEC發(fā)電機定子匯流環(huán)布置方式

根據(jù)發(fā)電機引出線的空間布置，同樣取引出線較為集中截面，建立有限元模型，再根據(jù)引出線的不同相位進行電流的加載，直接得到不同引出線的總損耗。根據(jù)不同短路故障的電流峰值，采用解析法對匯流環(huán)受力進行分析計算，其計算結果如表2所示：

表2 三峽地下電站DEC機組短路故障下單位長度銅環(huán)受力（N/m，最大容量方案）

4.2 銅環(huán)發(fā)熱計算

4.2.1 三峽地下電站DEC機組匯流環(huán)溫升計算

三峽地下電站DEC機組匯流環(huán)溫度分布見圖4，空氣流動矢量見圖5，從圖4、圖5中我們可以清楚的看到，不同位置銅環(huán)的溫度分布以及在機組運行情況下，冷卻空氣通過匯流環(huán)的一個流動矢量圖。由于匯流環(huán)上部的通風效果比較好，冷卻空氣帶走的熱量比較多，因此匯流環(huán)上部的溫度較低。反之匯流環(huán)下部通風效果差，其溫度就大大升高了。

圖4 銅環(huán)溫度分布圖

圖5 空氣流動矢量圖

因此需要對匯流環(huán)布局比較密集且通風不暢位置，進行具體的溫度計算，其計算結果如表3所示：

從計算結果看，匯流環(huán)最高銅溫為109℃，絕緣表面平均溫度為87℃，溫升47 K，均出現(xiàn)在匯流環(huán)布局比較密集且通風不暢的最下層銅環(huán)上。

4.2.2 向家壩HEC機組匯流環(huán)溫升計算

向家壩HEC機組發(fā)電機定子匯流環(huán)布置見圖1，通過先計算出集膚效應系數(shù)和鄰擾效應系數(shù)這兩個系數(shù)，然后在這兩個系數(shù)的基礎上即可求出銅環(huán)的交流電密，交流電阻，從而獲得銅環(huán)表面熱負荷和銅環(huán)銅溫升，最終計算獲得向家壩水輪發(fā)電機定子銅環(huán)銅溫度為95.11℃。

4.2.3 向家壩TAH機組匯流環(huán)溫升計算

向家壩TAH機組發(fā)電機定子繞組采用每相7支路并聯(lián)的方式，三相Y連接，匯流銅環(huán)主要采用每層2環(huán)，總計7層（主引出線位置有8層）的匯流環(huán)布置方式，如圖6所示：

圖6 向家壩TAH機組匯流環(huán)布置及磁場和相別分布

通過有限元法計算出機組最大的集膚效應和鄰近效應系數(shù)在截面3的導體V2上(見圖6、7).銅環(huán)引線的溫升計算是采用局部熱網(wǎng)絡計算方法。導體處切向的熱流忽略不計。計算結果取決于導體損耗、導體外形尺寸、肌膚效應和鄰近效應系數(shù)（有限元計算）、風速。銅環(huán)處的風速主要取決于上端轉子支架進風口大小。

圖7 向家壩TAH機組匯流環(huán)布置圖

計算結果如表4所示：

表4 向家壩TAH機組匯流環(huán)發(fā)熱計算結果

通過計算可以得出,導體溫度主要取決于通過銅環(huán)引線的徑向風速。向家壩機組的徑向風速受限于轉子支架進風口的風阻。只有當上端和下端路徑之間出現(xiàn)不均勻的流量分布時（NDE側風量為200 m3/s），銅環(huán)引線才會有好的冷卻效果。

5 結語

通過上述對三峽地下電站DEC、HEC機組以及向家壩電站TAH和HEC機組發(fā)電機匯流環(huán)的受力和發(fā)熱計算結果進行分析，我們可以清楚的看到，不同的匯流環(huán)布置對發(fā)電機匯流環(huán)的受力和發(fā)熱有重要的影響，具體可以總結為以下幾點：

（1）在匯流環(huán)布置比較密集的區(qū)域，其銅環(huán)本身的受力和發(fā)熱要遠大于發(fā)電機其他區(qū)域布置的匯流環(huán)。

（2）在匯流環(huán)布置比較密集且通風不暢的區(qū)域發(fā)電機匯流環(huán)的散熱效果不好，也會導致匯流環(huán)溫度過高的現(xiàn)象。

鑒于此種情況，三峽地下電廠HEC機組已分別在通風不暢的發(fā)電機出口位置以及匯流環(huán)布置比較密集的多個地方布置了光纖測溫裝置，通過實時的監(jiān)測來關注匯流環(huán)的發(fā)熱。另外為了能夠減少銅環(huán)由于熱脹冷縮以及電磁應力過大而影響機組的正常運行，在向家壩TAH機組發(fā)電機匯流環(huán)上，采用了能夠緩解匯流環(huán)受力的柔性連接。通過對發(fā)電機匯流環(huán)的發(fā)熱以及受力問題進行研究分析，可以更好的了解發(fā)電機匯流環(huán)的一些潛在的安全隱患，從而從根本上消除了這些安全隱患，為大型發(fā)電機組的安全可靠運行提供了有力的保障。

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