大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子全電流試驗(yàn)磁場(chǎng)分析

童旭松，宋德強(qiáng)，胡 剛

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大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子全電流試驗(yàn)磁場(chǎng)分析

童旭松1，宋德強(qiáng)2，胡 剛1

（1. 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040；2. 黑龍江牡丹江抽水蓄能有限公司，黑龍江 牡丹江 157000）

新設(shè)計(jì)的大型汽輪發(fā)電機(jī)在出廠前，必須要進(jìn)行型式試驗(yàn)，其中很重要的一項(xiàng)就是轉(zhuǎn)子全電流溫升試驗(yàn)，了解轉(zhuǎn)子繞組在額定勵(lì)磁電流下的溫度分布情況，保證設(shè)計(jì)的可靠性。本文采用二維有限元法對(duì)大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子全電流試驗(yàn)進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真，分析氣隙磁場(chǎng)、鐵心發(fā)熱及定子電壓情況，表明通過將部分轉(zhuǎn)子繞組反接可有效抵消轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，減小電機(jī)端電壓及定子鐵心損耗，為電機(jī)試驗(yàn)提供理論支撐。

汽輪發(fā)電機(jī)；全電流；有限元；磁場(chǎng)

0 前言

隨著空冷汽輪發(fā)電機(jī)容量的增大，轉(zhuǎn)子發(fā)熱問題也越來越引起關(guān)注，國(guó)內(nèi)外對(duì)此進(jìn)行了很多研究，其中有用熱網(wǎng)絡(luò)法[1-3]，也有用電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)耦合仿真[4-7]。但對(duì)于制造廠來講，還需要進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)正確性，保證產(chǎn)品的可靠性。通常采用的手段就是在制造廠內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)子全電流溫升試驗(yàn)，研究轉(zhuǎn)子繞組在通過額定勵(lì)磁電流(甚至過電流)時(shí)的轉(zhuǎn)子繞組溫度分布。

發(fā)電機(jī)在出廠前一般只進(jìn)行空載試驗(yàn)和穩(wěn)態(tài)短路試驗(yàn)。這時(shí)，轉(zhuǎn)子電流達(dá)不到額定值，用該電流下的試驗(yàn)值來推算轉(zhuǎn)子在額定勵(lì)磁電流下的溫升(尤其是局部溫升)，往往會(huì)有一定的誤差。如果不采取措施，轉(zhuǎn)子繞組上施加額定勵(lì)磁電流時(shí)，定子電壓和定子鐵心損耗將遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)限制，給機(jī)組帶來危害。對(duì)于小容量機(jī)組，我們還可以采用電抗器負(fù)載或直接負(fù)載(發(fā)電反饋電網(wǎng))的方法來使轉(zhuǎn)子電流達(dá)到額定值[8, 9]。而對(duì)于容量越來越大的大型汽輪發(fā)電機(jī)來說，上述方法基本是無法實(shí)現(xiàn)的。

由于試驗(yàn)只考慮轉(zhuǎn)子繞組通過額定勵(lì)磁電流引起的歐姆損耗，一個(gè)比較經(jīng)濟(jì)的辦法是利用汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈為同心式的特點(diǎn)，將部分轉(zhuǎn)子繞組反接，抵消部分轉(zhuǎn)子磁勢(shì)，從而減弱氣隙磁場(chǎng)，然后進(jìn)行全電流溫升試驗(yàn)。此時(shí)，即使轉(zhuǎn)子電流達(dá)到額定值，定子也不會(huì)出現(xiàn)過電壓(空載)或過電流(短路)情況，而轉(zhuǎn)子繞組的損耗和發(fā)熱卻達(dá)到了發(fā)電機(jī)滿負(fù)荷狀態(tài)的水平[1]。

實(shí)際上，這種反接并不能安全抵消轉(zhuǎn)子磁勢(shì)。對(duì)于轉(zhuǎn)子每極為奇數(shù)槽的情況更是如此。因此有必要分析反接后電機(jī)的磁場(chǎng)、鐵損、電壓等。本文采用二維時(shí)步有限元法，對(duì)轉(zhuǎn)子反接后的磁場(chǎng)、鐵心損耗和定子端電壓進(jìn)行分析，預(yù)判試驗(yàn)過程。

1 反接試驗(yàn)及計(jì)算方法

1.1 反接方法

本文以一臺(tái)350MW的汽輪發(fā)電機(jī)為例，計(jì)算反接后的磁場(chǎng)及電壓。該電機(jī)轉(zhuǎn)子每極9個(gè)線圈，如圖1所示，所以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)不可能完全抵消。根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)，將轉(zhuǎn)子每極線圈分為兩組，1組為1、4、5、8、9號(hào)線圈，另一組為2、3、6、7號(hào)線圈，兩組線圈電流方向相反，每極編號(hào)相同的線圈電流方向相同。

圖1 轉(zhuǎn)子線圈編號(hào)

1.2 仿真模型

本文采用場(chǎng)路耦合的瞬態(tài)二維有限元數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行電機(jī)磁場(chǎng)分析[10-12]，建立電機(jī)的二維有限元模型，如圖2所示。

圖2 二維磁場(chǎng)有限元求解區(qū)域

二維瞬態(tài)電磁場(chǎng)數(shù)學(xué)模型如下：

其中，為磁阻率；為電導(dǎo)率；為源電流密度。

建立相應(yīng)的電路模型，如圖3所示，BA、BB、BC為定子三相繞組。因?yàn)樵囼?yàn)時(shí)電機(jī)空載，故定子三相繞組開路，電壓表UAB、UBC、UCA分別用以測(cè)量三相電壓，BR1~BR9為繞組線圈，按前述的反接規(guī)律接線，U為勵(lì)磁電壓源。

2 仿真結(jié)果分析

本文用如上所述有限元法對(duì)轉(zhuǎn)子繞組反接后的電機(jī)二維磁場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，分別從反接后的氣隙磁場(chǎng)、損耗以及定子端電壓等三個(gè)方面進(jìn)行分析，并與空載工況進(jìn)行了對(duì)比。

2.1 電機(jī)磁場(chǎng)

圖4為反接轉(zhuǎn)子后，轉(zhuǎn)子通以額定電流時(shí)電機(jī)的磁場(chǎng)分布。可以看出，由于轉(zhuǎn)子每極槽數(shù)為奇數(shù)，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁勢(shì)不能完全抵消，還有部分磁場(chǎng)進(jìn)入，但定子磁密最大僅為0.82T，較額定電壓時(shí)磁密小很多，定子鐵心處于不飽和狀態(tài)。而由于轉(zhuǎn)子磁勢(shì)相互抵消的緣故，在轉(zhuǎn)子小齒上的磁密比較高，處于飽和狀態(tài)。

圖5為電機(jī)氣隙徑向磁場(chǎng)分布和其諧波分析結(jié)果。可以看出，氣隙磁密中含有很多高次諧波，3次和5次波占到了基波的17%，而7次、11次和13次占到了基波的12%。

圖5 反接試驗(yàn)時(shí)氣隙磁密

將反接后的各次諧波與空載額定電壓時(shí)的氣隙諧波進(jìn)行對(duì)比，見表1。可以看出，與空載相比，雖然基波磁場(chǎng)下降接近三分之一，但各高次諧波均有不同程度的增加。

表1 氣隙磁密諧波分析 T

2.2 定子鐵心損耗分析

定子鐵心損耗在電機(jī)中比例很大，直接影響鐵心的溫升。本文采用Bertotti提出的鐵心損耗分離模型[13-15]，用以計(jì)算交變磁場(chǎng)作用下的鐵心損耗，如式(2)所示，可以看出，鐵心損耗與磁場(chǎng)的交變頻率有直接關(guān)系，由于反接后除基波外各次諧波均有不同程度的增加，有可能引起較大的鐵損，需要對(duì)其進(jìn)行分析。

式中，和分別為硅鋼片的磁滯損耗系數(shù)和渦損耗系數(shù)。

在磁場(chǎng)分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用上述公式對(duì)定子鐵心損耗進(jìn)行分析，平均鐵心損耗分布如圖6所示。從圖上可以看出，鐵損除集中在齒頭位置，在齒根也較大。反接后定子鐵心損耗為100.3kW，而正常空載情況下鐵心損耗為474.6kW，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于額定情況，故不會(huì)引起鐵心過熱。

圖6 定子鐵損分布

2.3 定子端電壓分析

仿真全電流反接試驗(yàn)時(shí)，在轉(zhuǎn)子電路模型中通入電機(jī)額定勵(lì)磁電流，轉(zhuǎn)子以額定速度旋轉(zhuǎn)，仿真得定子電壓波形如圖7所示，諧波分析如表2所示。與額定空載相比，基波電壓有效值為7000V，接近額定電壓的三分之一。之所以定子機(jī)端還有這么高的電壓，除了通入的勵(lì)磁電流比較大以外，還因?yàn)檗D(zhuǎn)子每極槽數(shù)為奇數(shù)，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁勢(shì)并沒有完全抵消，而且整個(gè)電機(jī)鐵心的飽和程度也比較低。從表2還可以看出，反接后電壓高次諧波比空載時(shí)大，這與前面氣隙磁密分析結(jié)果也是一致的。

圖7 線電壓波形

表2 端電壓諧波分析 V

3 結(jié)論

本文采用場(chǎng)路耦合的時(shí)步有限元法對(duì)電機(jī)反接試驗(yàn)的電磁場(chǎng)進(jìn)行了仿真，獲得了反接工況下的磁場(chǎng)分布及端電壓情況，并與空載額定電壓時(shí)的磁場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比。分析表明通過將轉(zhuǎn)子繞組部分反接可以有效地抵消轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，減小電機(jī)端電壓及定子鐵心發(fā)熱。

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The Magnetic Filed Analysis of Full Rotor Current Test for Large Turbo-generator

TONG Xusong1, SONG Deqiang2, HU Gang1

(1. Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China; 2. Heilongjiang Mudanjiang Pumped Storage Co., Ltd., Mudanjiang 157000, China)

The type test for a new design of large turbo-generator must be carried out in the factory. The temperature rise test with full rotor current is very important to check the temperature distribution of rotor winding, which ensures the reliability of the design. In this paper the generator’s electromagnetic field in the test is simulated by 2D FEM. The magnetic field of air gap, the iron loss of stator and the terminal voltage is analyzed. The results show that reversing some rotor coils can effectively reduce the rotor field, terminal voltage and iron loss, which provide theoretical supports for the test.

turbo-generator; full rotor current; finite element; magnetic field

TM311

A

1000-3983(2018)01-0044-04

2017-08-06

童旭松（1972-），2005年畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)，工程碩士，主要從事大型電機(jī)技術(shù)研究，高級(jí)工程師。