大型水轮发电机定子温升计算研究

于涛，范吉松，秦光宇，韩荣娜

(1 水力发电设备国家重点实验室，黑龙江哈尔滨150040;2 哈尔滨大电机研究所，黑龙江哈尔滨150040)

0 引言

发电机的可靠性主要体现在运行过程中的温升也就是内部温度的分布问题。温度分布不合理会产生诸多问题，如温升过高会导致绝缘的损坏，包括绝缘的分层、脱壳、老化等，从而使绝缘的电气性能下降，直接影响电机的使用寿命和运行的可靠性。在工程上，温升的计算方法主要有三种:简化公式法、等效网络法和温度场法［1］。

简化公式法是假定全部铁心损耗及有效部分铜耗只通过定子圆柱形冷却表面散出，而且电枢绕组铜的有效部分和接触部分之间没有热交换。这些假定虽然不尽合理，但是这种方法所采用的散热系数是根据结构相同或相似的电机温升试验结果确定的，因此计算结果比较接近于实际。这种方法的优点是计算简单，因此易于被工厂接受，缺点是不太精确、不够完整，只能计算出电机的平均温升，不能满足日益提高的设计工作需要［2］。

等效网络法是根据传热学和电路理论来形成等效网络，网络图中的热源为绕组的铜耗、铁耗(齿部、轭部)，这些损耗所在部件在计算时被认为是均质的。损耗热量通过各种相应的热阻，由热源向冷却介质传递，形成一个复杂的热网络。采用电路网络中基尔霍夫定律来列出全部热平衡方程，然后用求解线性电路的方法，计算电机各有效部位的平均温升。此方法计算精度比简化公式法高，能够得到电机总体温升和平均温升［3］。

温度场法是用现代数值方法来求解热传导方程，也就是将求解区域离散成许多小单元，在每个单元中建立方程，再对总体方程组进行求解。由此可见，温度场法将研究对象从宏观转为微观，从总体转到局部单元，求得每一点的温度，对整个计算区域中的每个局部单元都能获得可靠的计算数据，从而更加准确、合理地指导电机的设计［4］。

本文以向家坝800MW 大型水轮发电机为算例，分别应用网络法和温度场计算方法对定子温升进行计算，考核定子温度分布情况。

1 通风系统基本结构及尺寸

向家坝水轮发电机的转子外圆线速度较高，转子自身产生的冷却风量已能满足通风散热的需要。因此，采用双路径向无风扇端部回风密闭自循环全空气冷却方式。冷却空气在由转子支架、磁轭、磁极旋转产生的风压作用下进入转子支架入口，流经磁轭风沟、磁极极间、气隙、定子径向风沟，冷却气体携带发电机损耗热经定子铁心背部汇集到冷却器与冷却水热交换散去热量后，重新分上、下两路流经定子线圈端部进入转子支架，构成密闭自循环端部回风通风系统(见图1)，技术参数见表1。

图1 通风系统结构示意

表1 向家坝水轮发电机结构尺寸

2 通风计算

向家坝发电机通风计算使用流体动力学计算软件进行分析(见图2)。流体包括可压缩和不可压缩两种，可进行流体的稳态和瞬态分析及流体动力计算。软件可模拟发电机风路，包括转子支架、磁轭风沟、磁极极间的压力元件及阻力元件;气隙、定子风沟、冷却器等阻力元件，都用网络元件来模拟［5］。计算得到该机组总风量为390.2m3/s。

图2 通风计算网络

3 定子温升计算

3.1 网络法计算

通风计算得到各部位的风量及风速分配，根据风速可得到各部位的散热系数。以损耗作为热源，根据电机的结构尺寸计算出各部位的过流面积、散热面积以及各部位之间的导热面积，从而使用网络法进行定子温升计算，其计算网络见图3。网络法计算得到定子线圈平均温升为73.6K，铁心齿部平均温升为34.19K，铁心轭部平均温升为30.56K，冷风温度按40℃进行计算(见表2)。

表2 损耗分配

图3 定子温升计算网络

3.2 温度场计算

针对该机组通风系统的特点，考虑到结构的对称性，定子温度场模型取半齿半槽进行分析计算，轴向取包括上下端部线圈在内的整个区域。把电磁分析的各部分损耗作为模型的热源，结合电机的冷却方式，选择合理的边界条件，对电机定子温度分布进行计算。

3.2.1 基本假设

(1)考虑定子绕组铜耗时，认为涡流效应对每根股线的影响相同，即取其平均值;(2)把槽楔及导线外的绝缘认为是同一种物质;(3)端部绕组在鼻端啮合处认为没有热交换，可做绝热面处理;(4)端部只考虑绕组部分;(5)考虑到定子径向通风沟中的风与定子铁心和线圈产生热交换，为此假定风温沿径向是线性递增的;(6)定子绕组股线都有绝缘漆膜，但由于漆太薄，若对其进行剖分将会出两种情况，一是单元形状差，或是单元数剧增而使程序运行困难或无法正常工作，故假定股线之间不存在绝缘，其影响归算到绕组的导热系数中;(7)不计热辐射作用。

3.2.2 边界条件

根据电机的运行特点考虑温度边界条件(第一类)、绝热边界条件(第二类)和热交换边界条件(第三类)。定子温度分布计算的边界条件在通风沟处选用第三类边界条件，即需给出流体的温度和流体与边界面的对流换热系数。对流换热系数计算考虑风沟中风温是逐步升高的，对不同风速、不同温度下的物理参数计算相应的换热系数。另外，由于铁心叠片、线圈股线绝缘等因素的影响，计算中考虑材料的三维各向异性，考虑附加损耗趋表效应。

温度场计算中，空气温度随着电机内的热交换过程逐渐变化，而冷风温度是按40℃考虑的，在此基础上，考虑电机热源产生的位置考虑温度变化对空气物理参数和计算结果的影响［6-8］。

应用上述方法进行计算分析，图4 显示了定子整个计算区域的温度分布。从图5 的线圈温度分布云图中可看出，最高温度点为119.709℃(轴向位于中间铁心段处，径向位于上层线圈的直线段靠层间绝缘处)，铜排平均温升为75.43K。图6 为定子铁心温度分布云图，其中最热点温度为80.868℃(处在中间铁心段的齿根部)，定子铁心的平均温升为30.7K，轭背部及齿顶处温度较低，定子铁心内圆处的平均温升为27.2K，定子铁心外圆处的平均温升为27.5K。

图4 定子半齿半槽沿轴向温度分布云图

图5 定子线圈沿轴向温度分布云图

图6 定子铁心沿轴向温度分布云图

4 结语

本文分别应用网络法和温度场的计算方法对向家坝水轮发电机定子温升进行计算，计算结果比较吻合。网络法计算温升在电机

设计上是初期的计算手段，可较快地分析定子线圈和铁心的平均温度，缺点是无法分析是否存在局部过热的问题。应用温度场计算温升可充分展示定子线圈和铁心的温度分布情况，有利于优化设计。另外，在定子强度计算时，热膨胀计算的边界条件要根据定子铁心内外圆温度给定，网络法只能给出整个定子铁心平均温度，不能给出铁心内外圆温度，而温度场的计算方法可以给出。需要特别说明的是本文冷风温度给定的是40℃，在电机设计时，应根据总损耗、总风量以及冷却器的设计情况和冷却器的实际进水温度求出电机的实际冷风温度，因为如果冷风温度给高了，铁心内圆温度偏高，导致定子内圆热膨胀不够，气隙较设计值减小。

［1］ 李和明，李俊卿.电机中温度计算方法及其应用综述.华北电力大学学报，2005.32(1)1-5.

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［4］ 张新波，许承千.电机三维温度场的综合分析.电工技术杂志，2000.(3)4-6.

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