不同裝機容量水輪發電機阻尼繞組渦流損耗影響因素分析

孫 洋，林文娟，楊作鵬，李興剛

(黑龍江省電力科學研究院，哈爾濱 150030)

水輪發電機阻尼繞組能夠穩定發電機轉速，削弱負序磁場、抑制轉子震蕩［1－2］，對水輪發電機的安全可靠運行起著十分重要的作用。但在水輪發電機實際運行中，不可避免的會出現不對稱運行狀態從而產生負序磁場［3－5］。負序磁場會在阻尼繞組中感生很大的渦流，導致阻尼繞組發熱甚至燒損［6］。因此，對不對稱運行工況下，水輪發電機阻尼繞組渦流損耗進行深入研究非常必要［7］。

有限元法作為一種高效能的數值計算方法可以將連續的求解域離散為一組單元［8－9］，它克服了傳統解析法難以全面考慮定子開槽、磁極轉動等因素對阻尼繞組渦流損耗的影響［10－11］。基于此，本文建立不同裝機容量水輪發電機仿真模型，采用場路耦合有限元法分析了氣隙、節距、阻尼方式等因素對不同裝機容量水輪發電機阻尼繞組渦流損耗的影響，以給出有效的應對措施，保障機組安全可靠運行。

1 計算原理

用于分析計算的三臺水輪發電機裝機容量分別為225 MW、500 MW和1000 MW，其基本參數如表1所示。

在不影響計算結果準確度的情況下，對水輪發電機數學模型進行簡化，取一對磁極作為求解區域。其建立的有限元模型示例如圖1所示。

采用場路耦合有限元模型求解時，求解場域所滿足的邊值條件為

式中:μ為介質磁導率;Az為矢量磁位Z軸分量，它在圓弧邊界AB和CD上分別滿足第一類齊次邊界條件，在直線邊界AD和BC上滿足周期性邊界條件;Jz為源電流密度的Z軸分量;σ為介質的電導率;vx為速度的X軸分量。

表1 三臺水輪發電機基本參數Tab.1 Basic data of generator

圖1 有限元模型示例Fig.1 Finite element model

導體中的渦流密度地計算表達式為

式中，γ為電導率，A為磁矢位。

一根阻尼繞組渦流為

式中，k為一個磁極阻尼繞組的剖分單元總數，IC為剖分單元的電流，Ie為剖分單元的面積。

每個剖分單元表達式為

2 不對稱運行工況阻尼繞組渦流損耗分析

中國標準規定額定容量大于125 MVA的空氣冷卻水輪發電機能承受的最惡劣不對稱運行工況為9%負序。此時定子繞組中的三相電流為:

9%負序運行時，225 MW水輪發電機阻尼繞組渦流損耗如表2所示。其中，第4根阻尼繞組渦流損耗最大，為83.2 W;那么經計算可知，一個磁極阻尼繞組損耗為193.6 W;整臺水輪發電機的阻尼繞組總損耗為3.1 kW。

表2 225 MW水輪發電機阻尼繞組渦流損耗Tab.2 Eddy current loss of 225 MW hydro－generator

9%負序運行時，500 MW水輪發電機阻尼繞組渦流損耗如表3所示。其中，第6根阻尼繞組渦流損耗最大，為198.5 W;那么經計算可知，一個磁極阻尼繞組損耗為525.2 W;整臺水輪發電機的阻尼繞組總損耗為42.0 kW。

表3 500 MW水輪發電機阻尼繞組渦流損耗Tab.3 Eddy current loss of 500 MW hydro－generator

9%負序運行時，1000 MW水輪發電機阻尼繞組渦流損耗如表4所示。其中，第9根阻尼繞組渦流損耗最大，為1310.9 W;那么經計算可知，一個磁極阻尼繞組損耗為3880.6 W;整臺水輪發電機的阻尼繞組總損耗為217.3 kW。

不同裝機容量水輪發電機阻尼繞組渦流損耗最大值比較分析如圖2所示。

由圖2可知，隨著水輪發電機額定容量的增加，阻尼繞組渦流損耗不是成倍增長，而是水輪發電機裝機容量越大，阻尼繞組渦流損耗最大值的增長越多。

表4 1000 MW水輪發電機阻尼繞組渦流損耗Tab.4 Eddy current loss of 1000 MW hydro－generator

圖2 不同容量水輪發電機阻尼繞組渦流損耗比較Fig.2 Eddy current loss of different installed capacity

不同容量水輪發電機單個磁極阻尼繞組平均渦流損耗比較分析如圖3所示。

圖3 不同容量水輪發電機單個磁極阻尼繞組平均渦流損耗比較Fig.3 Average eddy current loss of a single pole on different installed capacity

從圖3可知，225 MW水輪發電機單個磁極阻尼繞組平均渦流損耗為48.4 W，500 MW水輪發電機單個磁極阻尼繞組平均渦流損耗為87.5 W，1000 MW水輪發電機單個磁極阻尼繞組平均渦流損耗為431.2 W。

3 不同影響因素對阻尼繞組影響因素分析

3.1 氣隙影響

由于阻尼繞組內渦流損耗與定子開槽產生的齒諧波有關，因此調整定子、轉子氣隙大小可以控制阻尼繞組內渦流損耗。下面分別對三臺額定容量不同的水輪發電機進行分析計算。

225 MW水輪發電機氣隙大小設計值為28 mm，調整氣隙大小±10%，保持其他參數不變，分別計算氣隙為25.2和30.8 mm時阻尼繞組渦流損耗，計算結果如表5所示。

500 MW水輪發電機的氣隙大小設計值為31 mm，么調整氣隙大小±10%，分別計算氣隙為27.9 mm和34.1 mm時阻尼繞組渦流損耗，計算結果如表6所示。

表5 氣隙變化時阻尼繞組渦流損耗Tab.5 Eddy current loss of 225 MW hydro－generator air gap variation

表6 氣隙變化時阻尼繞組渦流損耗Tab.6 Eddy current loss of 500 MW hydro－generator air gap variation

1000 MW水輪發電機的氣隙大小設計值為36 mm，調整氣隙大小±10%，計算氣隙為32.4 mm和39.6 mm時阻尼繞組渦流損耗，計算結果如表7所示。

表7 氣隙變化時阻尼繞組渦流損耗Tab.7 Eddy current loss of 1000 MW hydro－generator air gap variation

根據三臺水輪發電機的計算結果可知，水輪發電機氣隙越小，阻尼繞組渦流損耗越大。適當增加氣隙，可以減小阻尼繞組渦流損耗。

3.2 節距的影響

為研究節距對水輪發電機阻尼繞組渦流損耗的影響，分別建立三臺不同容量機組的水輪發電機模型。改變其節距分別為0.5t、0.8t、1.2t。分別計算其阻尼繞著渦流損耗，所得結果如圖4所示。

圖4 各個容量水輪發電機阻尼繞組渦流損耗Fig.4 Eddy current loss of different installed capacity

橫向比較圖4中阻尼繞組渦流損耗可知，阻尼繞組節距越大，那么渦流損耗也越大。縱向比較圖4中阻尼繞組渦流損耗可知，當發電機容量成倍增大時，其渦流損耗成倍增大。而且裝機容量越大，其阻尼繞組渦流損耗受節距影響也越明顯。

3.3 阻尼方式的影響

一般水輪發電機阻尼系統連接方式有兩種，分別為全阻尼和半阻尼。全阻尼連接時，所有磁極的阻尼繞組連接在一起，半阻尼連接時，以磁極為單位的阻尼繞組分別連接在一起。

建立三臺裝機容量的水輪發電機全阻尼模型，并與半阻尼連接時水輪發電機阻尼繞組渦流損耗相比較，得出各水輪發電機組阻尼繞組渦流損耗計算結果，如圖5所示。

圖5 不同阻尼方式阻尼繞組渦流損耗Fig.5 Eddy current loss of different damping mode

由圖5可知，三臺不同容量水輪發電機阻尼繞組渦流損耗規律一致，全阻尼連接方式阻尼繞組渦流損耗大于半阻尼方式阻尼繞組渦流損耗。裝機容量越大，阻尼繞組渦流損耗受阻尼連接方式影響也越明顯。

4 結論

本文采用場路耦合有限元法，分別對225 MW、500 MW、1000 MW水輪發電機阻尼繞組渦流損耗進行計算，并通過建立不同仿真模型，分析了氣隙、節距、阻尼方式對水輪發電機阻尼繞組渦流損耗的影響，以及采取的應對措施。

1)在同一磁極上，沿順時針最后一根阻尼繞組渦流損耗最大。那么這根阻尼繞組也最容易發熱損壞。

2)水輪發電機阻尼繞組渦流損耗十分可觀，當裝機容量增大時，阻尼繞組渦流損耗會成倍的增加。

3)氣隙越小，阻尼繞組渦流損耗越大，設計時應適當增大氣隙，減小阻尼繞組渦流損耗。

4)節距越小，阻尼繞組渦流損耗越小，設計時應適當減小節距，減小阻尼繞組渦流損耗。

5)半阻尼方式比全阻尼方式阻尼繞組渦流損耗要小，水輪發電機應采用半阻尼方式。

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