抽水蓄能發電電動機冷卻方式研究

安志華，劉平安，秦光宇，韓榮娜，劉維維

（哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江省哈爾濱市 150040）

抽水蓄能發電電動機冷卻方式研究

安志華，劉平安，秦光宇，韓榮娜，劉維維

（哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江省哈爾濱市 150040）

本文敘述了采用相似模擬試驗的方法，對深圳抽水蓄能發電電動機不同冷卻方式開展的試驗論證。通過試驗數據的對比，探討了通風系統結構差異對通風冷卻效果的影響，介紹了深圳發電電動機采用的冷卻方式。另外，在通風模擬試驗基礎上，掌握了流體場的特點，確定了溫度場計算的邊界條件，應用有限元的計算方法，對深圳抽水蓄能發電電動機各部分溫度分布進行了研究，預期了發電電動機的冷卻能力。

發電電動機；通風系統；溫度場；冷卻方式

0 引言

隨著電網容量的不斷增大和用電需求的多樣化，電網對安全性、穩定性、經濟性和調節能力有了更高的要求，從電力系統的電力電量平衡和提高電網穩定性考慮，抽水蓄能發電電動機在現代電力系統中占有相當重要的位置。我國抽水蓄能發電電動機已逐漸從依賴進口，走上自主研發的道路，關鍵技術的創新正是大批將要興建的抽水蓄能電站所用機組開發的基礎。

抽水蓄能發電電動機的每極容量、轉速等參數一般高于常規電機，相對地，通風系統的設計難度也很大。冷卻方式是決定發電電動機參數及結構的重要因素，采用模擬試驗與計算分析相結合的方法研究不同的冷卻方式能夠達到的冷卻效果，不僅可以掌握電機內流場現象的特點，而且能夠預期電機各發熱部件的溫度分布。

本文介紹了針對深圳發電電動機不同冷卻方式的試驗結果，分析了不同冷卻方式的優劣和流場特點，確定了適合深圳發電電動機的冷卻方式，在試驗的基礎上，進行了三維溫度場的計算。

1 模擬試驗方法

在通風冷卻系統內具有流體流動相似特點的通風模擬試驗能夠反映電機整體流場現象的特點，本文分別對旋轉擋風板結構、固定擋風板結構及帶風扇的固定擋風板結構進行了通風模擬試驗研究。掌握了不同冷卻方式下的風量及上、下風道風量分配，檢驗是否存在空氣流動漩渦和死區等流場現象，從而論證了三種冷卻方式的優缺點。

試驗的理論依據是相似法則，利用量綱分析的方法決定相似準則并正確處理試驗數據。量綱分析的目的之一就是找出影響過程的各獨立物理量正確地組合成無量綱數的方法[1]。量綱分析的基本原理是：凡是正確反映客觀規律的物理方程，其各項的量綱都必須是一致的，這稱為量綱的和諧原理。而無量綱數可以是兩個相同量的比值，也可以通過幾個有量綱數通過乘、除組合而成，如雷諾數等。無量綱數不會因過程大小的不同而改變。也就是說，對于同樣的流動狀態，無量綱數應為常數。電機通風模擬試驗的目的是用模型里產生的物理現象近似地揭示實際電機中的物理規律。

電機通風系統包括旋轉的壓力元件和各種形狀的風阻元件，但它有以下幾個方面的流動特性：

（1）風路全是由短的風道組成，截面多變化，因此局部阻力為主，沿程阻力很小只占10%左右[2]；

（2）全部壓頭由轉子產生，壓頭正比于轉子周速平方；

（3）電機中轉動部件中的氣流產生很大的攪動作用，在風道中造成很高紊流度，深圳發電電動機的雷諾數約為4.29×107，處于充分紊流狀態；

（4）由于封閉循環系統中空氣周而復始，沒有外來氣流影響，邊界條件可以自動建立。

根據相似法則，深圳發電電動機通風模型以幾何相似為基礎，尺寸比例選用1∶2.5，使得模型具有適中的尺寸，安裝方便，滿足試驗測量要求。

2 溫度場計算原理

應用有限元法進行抽水蓄能發電電動機各部分溫度場計算，利用幾何元素和布爾運算操作生成基本的幾何形狀，在建立實體模型同時劃分網格來生成節點和單元[3]。

考慮邊值問題，在直角坐標下，各向異性介質中的三維穩態熱傳導方程見式（1）[4]：

式中 ：λx，λy，λz——x，y，z方向的導熱系數 ；

Ω1，Ω3——邊界條件。

通過變分問題離散形成有限元方程見式（2）：

3 冷卻方式研究

通風系統的設計不僅要冷卻各發熱部件，使其溫升低于要求的溫升限值，更要控制溫度的不均勻度，以避免定子鐵心的翹曲、絕緣脫殼等問題[5]。在通風系統的設計中，由通風系統各部分尺寸的選擇來決定風量的大小，通過結構的優化來改善流道的條件以降低流道的壓力損失，對于通風系統局部擋板、密封結構的設計可以避免流體產生風堵、死區、渦流等現象，因此，通風系統的設計是提供高效冷卻條件，較小通風損耗的基礎。

本文涉及的深圳抽水蓄能發電電動機應用通風模型試驗對固定擋風板和旋轉擋風板的結構進行了試驗論證，為深圳發電電動機通風冷卻系統的選擇提供了依據。另外，還進行了帶離心式風扇的固定擋風板結構的試驗，考核風量的增加及在陽江、敦化等發電電動機上應用的可能性。固定擋風板結構的通風模型示意見圖1；旋轉擋風板結構的通風模型示意見圖2；帶風扇固定擋風板結構的通風模型示意見圖3。

深圳發電電動機采用雙路徑向無風扇端部回風通風結構，冷卻空氣由轉子支架、磁軛、磁極旋轉產生的風扇作用進入轉子支架入口，流經磁軛風溝、磁極極間、氣隙、定子徑向風溝，冷卻氣體攜帶發電機損耗熱經定子鐵心背部匯集到冷卻器與冷卻水熱交換散去熱量后，重新分上、下兩路流經定子線圈端部進入轉子支架，構成密閉自循環通風系統。

圖1 固定擋風板結構的通風模型示意Fig. 1 The sketch of ventilation model with fixed baffle

圖2 旋轉擋風板結構的通風模型示意Fig. 2 The sketch of ventilation model with rotating baffle

圖3 帶風扇固定擋風板結構的通風模型示意Fig. 3 The sketch of ventilation model with fan

結合國內已經投運或即將投運的發電電動機采用的通風冷卻結構的特點，在保證冷卻效果的前提下，充分考慮安裝簡單，維護方便，運行安全的要求。對抽水蓄能發電電動機轉子磁軛采用通風溝、通風隙及整體磁軛圈結構進行分析論證后，確定深圳抽水蓄能發電電動機采用整體磁軛圈結構，未來的陽江等抽水蓄能機組也將采用此結構。

為了增加磁極線圈的散熱面積，改善磁極線圈的通風冷卻效果，磁極線圈采用帶散熱匝的形式。抽水蓄能發電電動機的磁極一般為塔形結構，以提高過流面積的同時保證強度要求。

定子鐵心通風溝是冷卻氣體的主要過流通道，對冷卻定子鐵心及定子線圈起著重要的作用。統計定子鐵心通風溝的高度，主要有10mm、8mm、6mm、5mm、4mm幾種，如果選擇較小的通風溝高度，會因通風溝數量增加，使對流換熱面積相應增大，但通風溝高度降低又會使流道的水力直徑減小，流體在流道中的壓力損失上升，風量隨之減小。在定子鐵心通風溝的設計上，結合定子各部分溫度的計算結果和風量的分布來確定。

4 模擬試驗的結果

考慮流體在紊流狀態時，流體質點互相混雜和碰撞。在不同時刻經過某一空間點的流速和壓力都隨時間圍繞著某一數值作變化。流速和壓力的這種脈動現象很復雜，脈動的幅值有大有小，變化頻繁而無明顯的規律性，所以，試驗數據的采集應用時間平均法。深圳發電電動機通風模型試驗時，在不同工況首先取一時段求平均值，記錄測量結果，然后在不同時間對每一工況進行多次試驗，再求各工況的平均值，通過這樣的方法來達到試驗數值的準確性，提高測量精度。

4.1 總風量的測試結果

深圳發電電動機將運行在發電和電動兩種工況，因此，深圳發電電動機通風模型試驗是在發電工況和電動工況兩種轉向下進行的。各轉速工況數據可以折算出真機的總風量。

經試驗數據折算，固定擋風板結構電動工況的總風量約為119.1m3/s，發電工況的總風量約為121.6m3/s，兩工況的總風量相差約為2%。

旋轉擋風板結構電動工況的總風量約為118.4m3/s，發電工況的總風量約為121.8m3/s，兩工況的總風量相差約為3%。

帶風扇固定擋風板結構電動工況的總風量約為186.7m3/s，發電工況的總風量約為186.3m3/s，兩工況的總風量相差約為0.2%。

4.2 定子風溝風速

圖4～圖6為不同冷卻方式的定子風溝風速分布。

從定子風溝風速分布規律看，與其他兩種結構相反，帶風扇的結構兩端風速略高，原因是兩端的風扇形成一定的壓力，使氣隙端部風量增強，優先進行入兩端的定子風溝，各定子風溝風速沿軸向呈中間略低于兩端的分布規律。

圖4 固定擋風板結構的定子風溝風速分布Fig. 4 Air velocity distribution in stator vent ducts of ventilation model with fixed baffle

圖5 旋轉擋風板結構的定子風溝風速分布Fig.5 Air velocity distribution in stator vent ducts of ventilation model with rotating baffle

圖6 帶風扇固定擋風板結構的定子風溝風速分布Fig. 6 Air velocity distribution in stator vent ducts of ventilation model with fan

4.3 上、下風道風量分配

固定擋風板結構與旋轉擋風板結構的各項試驗數據比較接近，所反映的規律基本一致，但上、下風道的風量分配略有不同，固定擋風板結構上、下風道風量分配比例為6∶4，旋轉擋風板結構上、下風道風量分配比例為6.5∶3.5。帶風扇固定擋風板結構的上、下風道回風較固定擋風板結構更強烈，比例為5.8∶4.2，規律相似。

4.4 流場觀察

從流場觀察的絲線漂浮方向看，固定擋風板結構下風道回風更順暢。旋轉擋風板結構較固定擋風板結構更有種于氣隙檢查和檢修。對于大容量機組，帶風扇固定擋風板結構能夠有效提高風量，彌補轉子的風扇效應。圖7為上風道流場觀測；圖8為下風道流場觀測。

圖7 上風道流場觀測Fig. 7 Fluid field observation in upper air path

圖8 下風道流場觀測Fig. 8 Fluid field observation in lower air path

5 試驗數據與計算結果對比

通風冷卻系統計算的目的，就是依據風速的大小，準確地選擇表面散熱系數等參數，確保進行溫度場計算時的邊界條件更加合理、準確，求出發電電動機各部分的溫度分布情況，保證電機安全可靠運行。通過試驗數據與計算結果的對比可以看出，計算結果與試驗數據是比較吻合的，能夠為溫度場計算提供較為合理的依據。表1為計算結果與通風模型試驗數據對比。

表1 計算結果與通風模型試驗數據對比Tab. 1 Comparison of calculating results and test data of ventilation model

6 溫度場計算

這里以深圳發電電動機為算例，對定、轉子進行溫度場計算。根據絕緣規范和相關結構建立計算模型，并施加邊界條件[6][7][8]。

6.1 定子溫度場計算

由于鐵心疊片、線圈股線絕緣等因素的影響，計算中考慮了材料的三維各向異性。圖9為定子計算區域溫度分布云圖；圖10為定子鐵心沿徑向溫度分布曲線。表2為定子各部分溫升。

圖9 定子計算區域溫度分布云圖（電動工況）Fig. 9 Temperature nephogram of stator in generator operation mode

圖10 定子鐵心沿徑向溫度分布曲線Fig. 10 Temperature curve of stator core in radial direction

表2 定子各部分溫升Tab.2 Temperature rise of stator parts K

6.2 轉子溫度場計算

轉子溫度場計算以轉子半軸向為計算區域，磁極底部采用第一類邊界條件，磁極線圈兩側施加第三類邊界條件。極靴表面、線圈托板等施加第三類邊界條件，根據轉子外圓周邊速度及物性參數計算散熱系數。根據電磁計算得到的損耗值，對磁極線圈、極靴表面、阻尼條等施加熱源。圖11為轉子磁極溫度分布云圖。圖12為轉子線圈沿軸向的溫度分布曲線。

圖11 發電工況轉子磁極溫度分布云圖Fig. 11 Temperature nephogram of magnetic pole in generator operation mode

圖12 發電工況轉子線圈沿軸向的溫度分布曲線Fig. 12 Temperature curve of field coil in axial direction in generator operation mode

以上分析說明定、轉子溫升均在合理范圍內，滿足技術規范中設備特性和性能保證要求。

7 結束語

通過對不同冷卻方式的試驗論證，固定擋風板結構與旋轉擋風板結構的通風系統產生的風量均能滿足發電電動機通風冷卻的需要，根據風量分配及流場的觀察結果，建議深圳發電電動機采用固定擋風板結構。

試驗數據與計算結果對比，說明計算結果誤差較小。基于固定擋風板結構的定、轉子各部分溫度分布的計算結果均在合理范圍內。

[1] 陳卓如等.工程流體力學 [M].北京：高等教育出版社，2004.

[2] 魏永田等.電機內熱交換[M]. 北京：機械工業出版社，1998.

[3] ANSYS Help and ANSYS Workbench Help-Version 12.1.

[4] 楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，2006.

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[7] 丁樹業，郭保成，馮海軍，等.變頻控制下永磁同步電機溫度場分析[J].中國電機工程學報，2014，34（9）： 1368-1375.DING Shuye，GUO Baocheng，FENG Haijun，et al. Temperature Field Investigation of Permanent Magnet Synchronous Motors Controlled by the Frequency Conversion Control System[J].Proceedings of the CSEE，2014，34（9）： 1368-1375.

[8] 李廣德.散熱系數模型試驗報告[R].哈爾濱大電機研究所.LI Guangde，Test Report of Heat Transfer Coefficient Model[R].Harbin Institute of Large Electric Machinery.

The Cooling Method Study of Pumped-storage Motor/Generator

AN Zhihua，LIU Pingan，QIN Guangyu，HAN Rongna，LIU Weiwei
（Harbin Electric Machinery Company Limited，Harbin 150040，China）

In this paper，various cooling methods test of Shenzhen motor/generator were demonstrated using the similarity simulation test. The cooling effects of different ventilation structures were analyzed by data comparison，and then a reasonable cooling method was selected for Shenzhen motor/generator. Additional，based on the simulation test，the fluid field feature was acquired，which provides the boundary condition for temperature calculation.Using the finite element calculation method，the temperature distribution of Shenzhen motor/generator is studied，by which the cooling effect of the motor/generator is expected.

motor/generator； ventilation system ； temperature field； cooling method

TV734.2

A

570.30

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.02.008

2016-11-13

2017-03-11

安志華（1968—），1989年畢業于華中科技大學，2005年畢業于哈爾濱理工大學獲工程碩士學位，高級工程師，學科帶頭人。主要研究方向：大型發電機通風冷卻技術研究。

劉平安（1964—），1986年畢業于華中科技大學，2006年畢業于哈爾濱理工大學，獲碩士學位，研究員級高級工程師，哈爾濱電機廠有限公司副總工程師。

秦光宇（1981—），女，2003年畢業于齊齊哈爾大學，高級工程師，主要研究方向：電機的通風冷卻技術研究工作。

韓榮娜（1981—），女，2004年畢業于沈陽工業大學，高級工程師，主要研究方向：電機通風冷卻研究工作。

劉維維（1985—），女，2011年畢業于哈爾濱工業大學，碩士，工程師。主要研究方向：電機通風冷卻研究工作。