水輪發(fā)電機定子繞組端部電動力3D分析.doc

2014. 7 大 電 機 技 術 791000MW水輪發(fā)電機定子繞組端部電動力3D分析李建富1，周光厚1，肖翦1，劉傳坤1，黃群2（1.東方電氣集團東方電機有限公司，四川 德陽，618000；2.華能景洪水電工程建設管理局，云南 景洪，666100）摘 要 本文基于3D瞬態(tài)電磁場有限元法，分析了一臺1000MW、54極的大型水輪發(fā)電機的端部磁場及繞組電動力分布。計算綜合考了轉子旋轉、鐵心飽和、時變等因素的影響，分析了額定工況及典型事故工況如突然短路和誤合閘下的端部電動力的分布規(guī)律，根據(jù)分析結果有針對性地提出了端部結構的設計建議。關鍵詞 水輪發(fā)電機；定子繞組；端部電動力；三維有限元中圖分類號 TM312 文獻標識碼 B 文章編號 1000-3983(2014)07-0075-043D Analyze of Electromagnetic Force Acted on 1000MW Hydrogenerator Stator End WindingLI Jianfu， ZHOU Guanghou，XIAO Jian，LIU Chuankun，HUANG Qun(1.Dongfang Electric Corporation Dongfang Electrical Machinery Co. Ltd.，Deyang 618000，China；2. Huaneng Jinghong HydropowerProjectConstruction&ManagementBureau，Jinghong 666100，China）Abstract:To study the principle of magnetic field and electromagnetic force distribution at the stator end winding of large hydrogenerator, 3D transient electromagnetic field finite element (FE) models of the end region are established respectively. Considering the factors such as rotor motion, core non-linearity and time-varying of electromagnetic field, a 50Hz, 1000MW, 54-poles large hydrogenerator is investigated. The end winding force at rated-load condition and accident conditions such as sudden short-circuit and out of phase synchronization are calculated. The force distribution patterns are analyzed and corresponding design suggestions are made. Keywords: hydrogenerator；stator windings；electromagnetic force；3D finite element1 引言隨著水力發(fā)電技術的不斷提高，水輪發(fā)電機單機容量不斷增加，目前世界上已運行的水輪發(fā)電機最大單機容量為800MW，而在研的白鶴灘電站單機有功高達1000MW，將來甚至可達1600MW。越來越高的電磁負荷，使設計難度大大增加，如何合理控制高負荷下的定子端部繞組電動力、端部附加損耗、結構件溫度，是對電機設計者的巨大挑戰(zhàn)。特別地，在發(fā)生系統(tǒng)短路及誤合閘等事故時，定子繞組最高將產生數(shù)十倍額定值的電動力，若端部線棒的固定方式滿足不了要求，巨大的電動力可能會導致端部線棒固定結構破壞，線棒崩開，造成毀滅性后果。準確地計算端部電磁場及端部電動力，是科學合理地設計電機電磁方案及端部結構的前提。根據(jù)經典的安培電磁力理論，載流導體電磁力性質與其電流及所在位置的磁通密度的方向、大小相關。在故障工況下，強大的沖擊電流產生的端部磁場的計算精度，是端部電動力準確計算的關鍵。對于端部電動力的計算方法，國內外學者進行了圖1 崩裂的水輪發(fā)電機端部線棒大量的研究，計算方法不斷改進。目前工程上廣泛采用的方法是鏡像法結合Biot-Savart定律進行解析求解，這種方法計算量小，速度快，但忽略了端部結構件的渦流效應及端部磁場的非線性。眾所周知水輪發(fā)電機在事故工況下，巨大的沖擊電流使電機磁路處于高度飽和，因此忽略非線性對磁場計算結果的精確度的影響相當大，采用這種方法存在一定的局限性。本文在前人研究的基礎上，為提高計算精度，采用全三維運動電磁有限元數(shù)值方法，全面考慮端部結構的實際結構尺寸、渦流效應、非線性效應，考慮轉子運動及勵磁電流沖擊，綜合分析了三相、兩相突然短路及120度、180度誤合閘等典型嚴重事故工況下，1000MW水輪發(fā)電機的端部磁場及電動力分布規(guī)律，為1000MW水輪發(fā)電機的端部結構設計提供依據(jù)。2 三維數(shù)值分析模型大型水輪發(fā)電機端部結構較復雜，包括端部定子繞組漸開線、壓指、壓板、邊段鐵心階梯齒、阻尼環(huán)、磁極壓板等，其中壓指、壓板、阻尼環(huán)、磁極壓板等結構中存在渦流，考慮其渦流對端部漏磁場的影響。 圖2 大型水輪發(fā)電機端部結構示意圖 3 1000MW水輪發(fā)電機端部模型（隱藏空氣域）在端部三維運動電磁場的求解區(qū)域中，含導電介質的渦流區(qū)中，采用三維有限元法表述的發(fā)電機端部渦流場的控制方程為：其中，為標量位，為矢量位，為電流密度，為磁導率。非渦流區(qū)中，電磁場三維有限元控制方程為：鐵心軸向斷面（z=0）上的邊界條件為：求解區(qū)域外圓面和端面上的邊界條件為：3 不同故障工況下定轉子電流發(fā)電機機端發(fā)生突然短路、誤合閘等是發(fā)電機運行中最為嚴重的故障工況之一，巨大的沖擊電流和電磁力、電磁轉矩可能對發(fā)電機軸系、端部固定結構、電機絕緣等造成嚴重損傷。圖4 突然短路、誤合閘等事故網(wǎng)機耦合仿真模型本文通過電力系統(tǒng)專業(yè)仿真軟件SIMSEN，仿真計算三相突然短路、兩相突然短路、180誤合閘、120誤合閘等工況下，定轉子繞組中的沖擊電流。圖5 三相突然短路定子電流（A相）圖6 三相突然短路勵磁電流圖7 120度誤合閘定子電流（A相）圖8 120度誤合閘勵磁電流4 額定負載分析4.1 額定負載端部磁場分布將仿真得到的定子三相電流及轉子勵磁電流結果作為輸入邊界條件，加載在端部三維運動磁場有限元模型中，以瞬態(tài)磁場3D求解器進行計算，分析其端部磁場分布及電動力分布，并與額定工況進行對比。圖9 定子端部鐵心磁密分布圖10 定轉子子端部磁密矢量剖面圖4.2 額定負載電動力計算圖11 端部電動力密度某坐標點上拉普拉斯力的密度可以用該點的電流密度和磁通密度來表示：某個體區(qū)域上所受的拉普拉斯力總和表示為：4.2.1 電動力在時間上的分布在時域上一個周期內，分別在r、z方向上，對各端部繞組的進行積分，可得到各端部繞組電動力的時域分布圖如下。圖12 額定負載柱坐標下A相端部電動力一周期的變化結果可見：a) 頻率方面各線棒電動力均以二倍工頻變化；b) 受力方向軸向及徑向分量在一個周期內基本上都是正方向，分別表示向兩端、向外。而切向分量的方向與線棒在相帶中的位置有關。相帶左側與右側的線棒切向受力方向相反。c) 受力大小最大分量是徑向分量，同一相帶中，異相槽線棒(相帶邊緣)受力最大，處于相帶中間的線棒受力最小。需要注意的是，每根線棒的電動力都可以分解為一個不變分量和可變分量。其中不變分量只使線棒產生靜變形，而不會造成振動，可變分量將造成線棒振動。因此更應該關心電動力峰峰值而不僅是其最大值。4.2.2 電動力在空間上的分布為直觀地觀察電動力在圓周上分布，將一對極下對應的線棒受力以電角度作圖，每60為一個相帶，0-60為A相帶，其他依次分別為Z, B, X, C, Y相帶。圖13 額定工況A相電流相位為0、45、90、135度時徑向電動力分布5 故障工況分析采用同樣的方法，對三相突然短路、兩相突然短路、120度誤合閘、180度誤合閘等事故工況進行了分析。圖14 180誤合閘6、10、14、16ms的徑向受力圖15 180誤合閘6、10、14、16ms的切向受力圖16 180誤合閘6、10、14、16ms的軸向受力 (下轉第103頁)(上接第78頁)工況切向力峰峰值（N）徑向力峰峰值（N）軸向力峰峰值（N）額定負載177.2328.954.3三相突然短路12738.88211.34627.3兩相突然短路12911.56880.74159.5120誤合閘12288.17172.84076.9180誤合閘16172.17579.35866.6綜合不同典型故障工況，三相、兩相及120度誤合閘工況下，電動力水平相當，而180度誤合閘時，端部電動力水平達到最大值，其峰峰值達額定91倍。因此，端部結構設計應考慮180度誤合閘的極端情況。圖17 不同工況端部電動力綜合對比須引起注意的是，在額定工況下，徑向分量最大，但所有非正常工況中，電動力的切向分量遠高于其徑向、軸向分量。因此在設計端部支撐結構時，要特別注意切向力的作用，采取有效措施加強固定。6 結論本文采用三維運動電磁場有限元方法，較全面地考慮端部結構的實際結構尺寸、渦流效應、非線性效應，考慮轉子運動及勵磁電流沖擊，計算了1000MW水輪發(fā)電機在額定及多個典型事故工況下的端部電動力，得到了電動力在時間上、空間上的分布規(guī)律，根據(jù)分析結果，有針對性地提出了結構設計建議。參 考 文 獻1 畢純輝，李淑鈺，戴景民.水輪發(fā)電機定子繞組端部電動力的計算J.大電機技術，2001(3):11-13.2 張甲 等.大型汽輪