哈電全空冷300M var調相機通風冷卻系統研究

黃 浩，安志華，朱志佳

（哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱150040）

0 前言

近年來，隨著新能源發電技術的不斷發展，大容量、遠距離特高壓直流輸電技術得到了大規模的推廣應用。由于直流系統在動態過程中需要從系統吸收大量的無功，使得電壓穩定問題成為大電網安全穩定的主要問題之一，客觀要求直流大規模輸送必須匹配大規模動態無功［1］。傳統的電力電子無功補償裝置受其自身工作特性的限制，無法在電力系統發生故障時提供足夠的動態無功支撐。調相機作為一種無功補償裝置，可充分利用其次暫態、暫態以及穩態特性，具有優異的動態無功特性，在故障情況下，可瞬時向系統提供超出自身容量數倍的動態無功，還可為系統提供一定的短路容量以及轉動慣量支撐。

國家電網公司在多回特高壓直流的送、受端均加裝了調相機，哈爾濱電機廠有限責任公司 （以下簡稱哈電）參與并提供了10余臺全空冷300M var調相機設備。考慮到送端系統暫態過電壓和短路容量支撐問題，受端系統快速無功調節以及送受端過載能力的需求，要求調相機設計時應具有較小的超瞬變電抗和短路時間常數，較高的轉子強勵倍數，較大的短路比和超強的定、轉子短時過負荷能力［2］。以上設計約束使得全空冷300M var調相機通風冷卻系統的設計成為了調相機開發的難點之一。

眾所周知，調相機運行時要在定子和轉子的一些部件中產生損耗，引起各部件的發熱。各部件間存在高溫部件向低溫部件的導熱，通風冷卻系統內的冷卻空氣與各發熱部件間同時進行著對流換熱來解決各發熱部件的冷卻問題［3］。

本文介紹了哈電全空冷300M var調相機的通風冷卻系統結構，并以此調相機為算例，采用流體動力分析的方法，計算了其風量分配。采用有限元法對不同工況下的定、轉子穩態和瞬態溫度場進行了計算，論證了調相機在不同運行工況時的溫度變化情況。通過定子采用多路通風結構，降低了定子溫度不均勻性及高點溫度。通過采用勵磁繞組端部兩路通風和直線段多排孔設計結構，解決了勵磁繞組的發熱問題，實現了調相機的全空氣冷卻。

1 流體動力分析的方法

本型全空冷300M var調相機采用轉子副槽通風的結構，當其運行在額定轉速下，轉子槽楔出風孔與轉子副槽間形成了一定的壓力差，并且隨著空氣在副槽內的軸向流動與不斷的徑向分流，形成了動壓和靜壓的不斷轉換。對于調相機通風冷卻系統的分析，首先研究了轉子風量的分配。轉子槽部的通風計算主要是在一定的進口靜壓 （護環下）、出口靜壓 （氣隙內）和轉子自身離心壓力下，對副槽和勵磁繞組徑向風道內氣體流量、壓力分布進行計算。轉子副槽通風計算的風路示意如圖1所示。

圖1 副槽通風計算風路示意

相鄰兩個徑向風道風路的伯努利方程如下：

式中，Pas，Pbs為轉子副槽a處和b處的靜壓；Vaa，Vab為轉子副槽a處和b處的氣體軸向流速；Cv為速度轉換系數；Cx為分流阻力系數；Cf摩擦系數。

轉子計算從最靠近轉子中心線的一個徑向風道開始，先假設該處徑向風速，依次對各個徑向風溝計算，反復迭代，直到進口處靜壓和已給的靜壓相等［4］。

計算轉子的風量分配后，將其作為風源項并入調相機整體通風冷卻系統的計算中。

根據質量守恒定律，在通風冷卻系統內，流入和流出同一流道的冷卻流體流量相等，因此對于通風計算網絡中的每個節點均應有：

根據能量守恒定律，通風計算網絡中的任意閉合回路，都有冷卻流體的流動壓力變化總和為零。即：

根據各節點流量和壓力的關系建立各節點的線性方程矩陣，求解通風系統的風量分配和壓力變化［5－9］。

2 溫度場計算原理

應用有限元法進行調相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模型，在建立幾何模型的同時，生成如圖2所示的節點和單元。

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為［10－12］：

式中，kx，ky，kz為 x，y，z方向的導熱系數；Ω1，Ω3為邊界條件。

通過變分問題離散形成有限元方程為：

對于瞬態溫度場，可通過對時間項離散的方法形成有限元計算方程。

3 通風冷卻系統設計

如圖3所示，該調相機采用全空氣冷卻，在風扇的作用下，冷風主要分三路進入調相機，其中一路經定子繞組端部、頂部風罩進入定子進風區，冷卻進風區定子繞組、鐵芯后流入氣隙；另一路流入轉子，冷卻勵磁繞組直線段和端部后，進入氣隙；還有一路直接進入氣隙，這三路空氣一并流入出風區的定子通風溝，冷卻出風區的定子繞組及鐵芯。除上述三路風道外，定子端部結構件還設計有單獨的風道。被發熱部件加熱的空氣與冷卻器的冷卻水進行熱交換散去熱量，然后，冷卻空氣重新被風扇壓入調相機內，形成密閉循環通風方式［13－15］。

圖3 通風冷卻系統風路示意

定子采用5進6出的多路徑向通風結構，這種結構可以縮短定子風路的長度，降低高點溫度，提高定子繞組與定子鐵芯絕緣的壽命。

轉子繞組直線部分采用斜副槽徑向通風方式，冷風從轉子副槽進入直線部分，經徑向風道冷卻繞組直線部分后，從轉子槽楔的出風口排出，進入氣隙。轉子繞組端部采用兩路通風結構，冷風從入風口進入繞組端部，直接冷卻繞組端部，一路從轉子本體靠端部的槽楔出風孔排出，進入氣隙，另一路從端部弧段出風孔排出，經大齒通風道進入氣隙。

由于調相機勵磁電流較高，還有2.5倍強勵持續15s的過負荷要求，轉子繞組的發熱問題是開發全空冷調相機的關鍵。通過調整槽楔出風孔尺寸，從中間向端部分為幾組不同的孔徑，中間孔徑相對端部直徑要小，配合優化轉子副槽的斜度，使轉子軸向風量分配趨于均勻，降低了轉子繞組的溫度不均勻性，減小了轉子結構件的熱應力。另外，還優化了轉子繞組直線部分多排通風孔結構及端部兩路通風的設計方案，也使勵磁繞組的溫度得到有效控制。

4 通風冷卻系統和溫度場的計算

4.1 通風冷卻系統計算

在調相機的通風系統中，冷風流過定子通風溝和轉子繞組通風孔等風道時產生一定的壓力損失，主要包括局部損失和沿程摩擦損失，一般局部損失遠大于沿程摩擦損失。采用本文所述的計算方法，分別針對直、斜副槽不同槽楔出風孔，直、斜副槽相同槽楔出風孔方案進行了風量分配的計算比較，如圖4所示。

圖4說明斜副槽不同槽楔出風孔方案的風量分配最為均勻，轉子的總風量為27.66m3／s，其中本體風量為 18.56m3／s，端部風量為 9.1m3／s。

圖4 轉子本體出風孔風量分布

本文根據調相機不同部件產生的損耗大小，進行結構的調整，以提供合適的風量分配來滿足調相機冷卻的需要。在轉子通風計算的基礎上，采用網絡法，計算了調相機各部分風量，通風計算網絡如圖5所示，各部分風量分配見表1。

表1 各部分風量分配 單位：m3／s

圖5 調相機的通風網絡

定子進風區風量約占總風量的29.5%，轉子進風量約占總風量的31.9%，氣隙進風量約占總風量的26.4%，端部結構件風量占總風量的12.2%。

4.2 計算工況

調相機除在額定工況穩定運行，還需具備較強的短時過負荷能力，因此，本文在開展穩態溫度分布研究的同時，根據表2和表3對應的工況，對定子繞組和轉子繞組進行了瞬態溫度的計算。

表2 定子繞組的短時過負荷工況

表3 轉子繞組的短時過負荷工況

4.3 定子溫度場計算

定子溫度場計算以調相機全軸向半齒半槽為計算域，在通風溝內定子齒、軛、繞組與空氣接觸表面采用第三類邊界條件。在材料方面，由于鐵芯沖片和繞組股線有絕緣漆膜，計算中將鐵芯和股線的材料定義為三維各向異性［16，17］。圖6所示為定子計算域溫度分布云圖，表4為各出風區對應的熱點溫度。

表4 定子溫度場RTD熱點溫度計算結果

圖6 定子溫度分布云圖

從計算結果可以看出，定子鐵芯的最熱點溫度為91.2℃，定子繞組銅最熱點溫度為109.22℃，高點位于出風區的上層定子繞組靠近層間絕緣處。定子RTD熱點溫度為100.2℃。結果表明，額定運行時，定子各部分溫度滿足標準要求。

4.4 轉子繞組溫度場計算

本文取轉子本體半齒半槽為轉子繞組直線段的計算域；端部計算域取9號槽的最長轉子繞組的端部區域。轉子繞組通風孔、轉子表面及轉子副槽表面等存在對流換熱，因此，在這些位置施加第三類邊界條件［18－20］。另外，針對有通風孔段和無通風孔段分別施加不同的熱生成率。圖7所示為轉子繞組溫度分布云圖。

圖7 轉子繞組溫度分布云圖

從計算結果可以看出，轉子繞組的最熱點溫度為105.32℃，處于轉子繞組直線段，計算轉子繞組的平均溫度為93.8℃。結果表明，額定運行時，轉子繞組各部分溫度滿足標準要求。

4.5 過負荷工況的溫度變化

以穩態計算結果作為瞬態場的初始條件，本文根據表2在5s、7s、15s和60s內的定子電流變化，計算了定子層間RTD的溫度上升情況，具體的計算結果如圖8所示。

圖8 不同工況的定子RTD溫度曲線

本文根據表3在15s、26.5s、35.2s和63s內勵磁電流的變化，計算了轉子繞組的溫度上升情況，具體的計算結果如圖9所示。

圖9 不同工況下轉子溫度曲線

在不同的過負荷工況，短時運行時，定子RTD溫度上升不多，但轉子繞組溫度升高明顯，當采用優化的通風冷卻結構時，能使轉子繞組的溫度得到有效控制。

4.6 端部結構件溫度分布

調相機進相運行工況，端部漏磁場增強，導致結構件發熱，為保證調相機的安全運行，需控制端部結構件的溫度。一方面為減小端部結構件損耗，調相機采用階梯狀邊段鐵芯，增加漏磁場磁阻的同時將邊段效應分散到多個鐵芯段；邊段鐵芯齒上開有2mm左右的小槽，減小端部軸向漏磁通引起的渦流損耗；鐵芯通風槽鋼、壓指、壓圈均采用無磁性材質；壓指頭倒圓角，避免損耗集中。另一方面，通風冷卻系統也需特殊設計。鐵芯壓指和磁屏蔽壓指均設計單獨風道，增強冷卻能力。銅屏蔽內外表面均設計高速風道，提高風量及增加散熱面。端部冷卻風路如圖10所示，冷風經風扇加壓后進入電機內，其中一部分冷風進入氣隙徑向流經邊端鐵芯和大壓指，一部分冷風經過定子線圈端部流經磁屏蔽、小壓指和銅屏蔽內、外兩側風路后，最終攜帶端部結構件熱量匯集到定子鐵芯背部，經冷卻器散去熱量后重新經風扇加壓后進入電機內。

圖10 端部結構件風路示意

由于定子端部結構件沿圓周方向對稱分布，所以計算域周向取對應定子的一齒一槽區域，軸向包括定子邊段鐵芯、大壓指、磁屏蔽、小壓指、壓圈和銅屏蔽。網格剖分如圖11所示，考慮進相工況運行，端部結構溫度比額定工況要高，本文給出了進相工況的計算結果，如圖12所示。

圖11 端部結構計算模型

圖12 端部結構溫度分布云圖

圖12的計算結果說明，端部結構件的溫度得到了很好的控制。

5 結論

本文以哈電全空冷300M var調相機為算例，采用流體動力分析和三維有限元法研究了調相機通風系統的冷卻效果。分析了調相機在額定工況及過負荷工況的溫度變化情況，提出了轉子的優化措施。從冷卻風路的設計上，提高了對端部結構件的冷卻能力，從而使端部結構的溫度得到有效控制。

調相機總風量為86.78m3／s，定、轉子在不同工況的溫度均在合理范圍內，說明本文選擇的各部分風量分配合理，通風冷卻系統的冷卻效果良好，解決了轉子高電磁參數發熱的問題，滿足了工程應用的需要。