汽輪發(fā)電機定子鐵心的設計

1電磁計算中的定子磁路汽輪發(fā)電機定子鐵心是電機中磁路的主要部分。與轉子不同的是，它是處于交變磁場中工作。在交變磁場中，鐵心將出現(xiàn)能量損失，即磁滯和渦流，總稱為鐵損。一臺發(fā)電機中，鐵損約占電機能量損耗的15?25%。我為某公司設計的五個系列數(shù)十個電磁方案中，一般約在17?21%。方案算得理想時，會發(fā)現(xiàn)自然在這個范圍。如果磁路設計不合理，可能會偏高。當超過30%，建議你要調(diào)整方案了。在設計時，應細心比較各個方案的空載勵磁電流值，在整機成本核實的情況下，將其調(diào)節(jié)到合理范圍。齒磁密當然是取在鐵磁材料特性曲線的開始飽和段，接近1.5T，但不是像有些工程師問我的：“取1.5（T）還是1.8,取2行不行呢？”，因為這個值不是絕對的，前面講了，空載勵磁電流和空載損耗才是我們要控制的指標。。在發(fā)電機的軛部磁密通常取得不高，但是積分路線長。有時可以試著減小外圓尺寸，雖說磁密在增

高，卻因磁路長整個軛磁勢還下降了。設計時，額部的修正系數(shù)要用到二元插值，可在我的其它計算機論

文中查到程序編制方法。氣隙磁壓降占了整個磁勢中主要部分，我所舉的以上例子中，常占到80?90%。氣隙磁密的選取和氣隙長度的選取不是本文討論范圍，其本質(zhì)是要滿足機電能量轉換需要，需要說明的是，它的大小也不是絕對的，反而是受鐵心設計要求左右的。特別是空載時鐵芯中的附加損耗和氣隙的長短有直接的關系。2降低鐵損的措施發(fā)電機一般選用導磁性能優(yōu)越、單位鐵耗小的各向同性優(yōu)質(zhì)硅鋼片。前面說過，鐵損包括磁滯和渦流兩個分量，損耗表示為：QFE=a1+a2At2 （1-1）其中al——磁滯損耗a2At2——渦流損耗系數(shù)a1、a2與頻率、材料及磁密有關。在采用特定磁密（如1.5T）和固定頻率（如50HZ）分析時，可以認為都是只與材料有關的常數(shù)。在熱軋硅鋼片中，磁滯損耗是主要部分，而在冷軋硅鋼片中，主要損耗是渦流。硅鋼片沖剪的邊緣多，磁滯增高；硅鋼片沖剪邊沿的毛刺多，則渦流必定增高?！鱰表示與鐵片（硅鋼片）厚度有關的系數(shù)，當厚度由0.1增加到0.5mm時，損耗增加1.4倍，厚度為1mm時增加到2.3倍。磁滯損耗與頻率成正比，渦流損耗與頻率的平方成正比，在電指公式中，軛部綜合簡化為1.3次方，齒部簡化為1.5次方計算。并且規(guī)定用冷軋硅鋼片時再乘以系數(shù)1.15。這種計算方法是我國計算的理論值比國外大了。3沖片設計:由前面的敘述可知，定子鐵心中的渦流與導磁材料的厚度有關，因此可以把鐵心沿軸向分成彼此絕緣的薄片來減小渦流。在我國和國外大多數(shù)電機廠，都將沖片厚度取為0.5mm，少數(shù)產(chǎn)品也有用0.35mm的。0.5mm厚的硅鋼片的剛度（E）是0.35mm厚硅鋼片的1.5倍，損耗僅比后者高10%，而價格較后者低，因此一般選用0.5mm厚的硅鋼片。實驗證明，如果繼續(xù)將厚度減小到0.1mm時，損耗變化并不大。目前我國質(zhì)量最優(yōu)秀的無取向硅鋼片（各向同性）是武鋼生產(chǎn)的。電機的沖片設計常反映出設計師的總體設計思想和綜合素質(zhì)，在設計時，除電機效率、性能指標外，

還要綜合考慮到?jīng)_裁利用率等成本和工藝因素，考慮同種沖片制造鐵心時的派生容量范圍、零件通用化率、

工裝通用化率和標準化系數(shù)等。我推薦阿爾斯通公司的模塊化設計思想。即將產(chǎn)品分為幾個功率等級，轉

子采用軸向通風，在一定容量范圍內(nèi)，不同的發(fā)電機具有相同的橫截面和端部結構。近十五年來，我在任

何電機廠設計都沿用了這一思想。而沖片的合理設計則是實現(xiàn)模塊化設計思想的基礎。為了減少鐵心振動，在汽發(fā)設計常有意加大鐵心外徑和軛部尺寸，并往標準系列尺寸'上靠”，通常都

取相對低些的軛部磁密，并在制造時增大壓裝力。沖片沖成后，應嚴格去毛°30MW以下電機毛刺高度應控制在20pm以下，6MW、6KV及以下電機可控制在30pm，（同電壓異步電機可控制在50pm以下）50MW電機毛刺應控制在10pm以下。BBC公司毛刺高度用光學毛刺測量儀測量。4沖片絕緣為了防止沖片之間有渦流回路，沖片必須雙面涂覆高電阻的F級絕緣漆，單邊厚度約為4?8pm，按標準方法測量時，片間電阻2106Q/cm2，擊穿電壓＞10Vo汽輪發(fā)電機對沖片的絕緣要求遠遠高于一般的水輪發(fā)電機，更不要說一般高壓異步電機了。這不是盲目制定的規(guī)則，我們從下面理論上加以闡述。（1） 正常運行時、沖片絕緣損壞的后果鐵心沖片間絕緣損壞后，將造成片間的局部短路，短路點的溫度會升高，引起局部發(fā)熱，而發(fā)電機

與其它類型電機不同的是，這很可能將造成主絕緣損壞，甚至引起嚴重故障。已有過因鐵心短路引起機毀

人亡的教訓，所以不得不拆卸整個電機。當沖片或槽口某兩片間出現(xiàn)短路點B時，根據(jù)右手螺旋法則，磁通中將在鐵心中感應電勢，經(jīng)槽鋼

焊縫、鋼片和短路B處形成回路。B點位置所在處的直徑越小，穿過回路得磁通越大，短路電流也逾大。

短路處溫度將局部升高，破壞片間絕緣，甚至逐漸擴展至整個疊片組(一般40?50mm)，但不會漫延到

被通風槽隔開的相鄰疊片組。盡管如此，也足夠破壞被他灼燒的定子繞組的絕緣了。嚴重時，還出現(xiàn)過鐵

心局部融化的現(xiàn)象，直接造成事故。后果是不是會那么嚴重，有人認為我危言聳聽。我們不妨進一下行定量的分析。損壞了片間絕緣的短路處，相當于只有一匝的變壓器次級繞組，這個'變壓器”的初級繞組就是汽輪發(fā)電機的轉子激磁磁勢AW0。與一般變壓器不同的是，激磁磁勢的大小與次級電流無關。在極端情況下，即所有磁通都通過了這一閉合回路，形成一個短路匝，這個短路匝每匝感應電勢為:Eh0=4.44fBjhjbpx10-8V(2-1)短路造成回流Ih后：Eh=Eh0(AW0-Fh)/AW0)=Eh0(1-Fh/AW0) (2-2)Fh是受損硅鋼片回流Ih的去磁作用磁勢，短路電流造成的損耗為：Qh=EhIh=Eh0Ih(1-Fh/AW0) (2-3)求極值得：Ihmax=AW0/2TOC\o"1-5"\h\zEhm=0.5Eh0 (2-4)即在最壞情況下，片間短路處要流過轉子磁勢一半的電流，損耗的最大值為：Qhm=IhmEhm=0.25k0FjEh0\o"CurrentDocument"=kdefbp?BOBj?Ohjxl0人-11 (2-5)現(xiàn)舉一組典型數(shù)據(jù)：當 kde=1.27；f=50赫茲；bp=5cm；Bj=15000高斯；BK7800高斯\o"CurrentDocument"時Qhm=0.346hj千瓦 (2-6)請注意看：當其他條件相同時，片間絕緣損壞處所能產(chǎn)生的最大損失與空氣隙及鐵心軛高成正比。如果kde、f、bp、Bj、B6有變化，也只是前面的系數(shù)0.34改變罷了。與異步電機不同的是，為了減小附加損耗和達到要求的短路比，汽輪發(fā)電機都有很大的空氣隙和很大的軛部徑向尺寸，汽發(fā)的極數(shù)很少，容量增加時hj值顯然會增長。對于2MW左右的大型異步電動機，空氣隙的數(shù)值近似6=0.2cm和hj=10cm，得到Qhm=0.34x0.2x10=0.68kW而對于某四極型汽輪發(fā)電機，6=1.9cm和hj=17.5cm代入后得到最大損失時為：Qhm=0.34x1.9x17.5=11.3kW雖然我們帶入的都是給定的數(shù)據(jù)，但卻都是很具代表意義的。前面說過，代入量的改變只引起系數(shù)的變化，其規(guī)律并不會改變。我們完全應該由此認識到：汽發(fā)的片間絕緣比異步電機重要得多。在汽輪發(fā)電機中，當片間絕緣損壞時，損失要比其它的電機中大數(shù)十倍。電機的運行經(jīng)驗及制造過程中試驗數(shù)據(jù)都指出，只有在汽輪發(fā)電機中才有可能發(fā)生和片間絕緣損壞有關的嚴重故障。在我國類似事故發(fā)生過多起重大事故的例子。例如1980年寧夏石嘴山50MW氫冷機組因測溫元件引線對地套管不完整引起的片間短路。凡遇到鐵心短路排除不了，制造廠家通常不敢怠慢，總是要求發(fā)電機全部拆開。必須指出，在工廠和電站中的鐵損試驗，所得到的數(shù)值是和真實的情況不相同的。因為磁通只通過鐵心軛閉合，而沒有一個地方是通過齒部和空氣隙的。相反，電機運行時磁通要兩次通過空氣隙。以往經(jīng)驗表明，這種狀況測出的鐵損比運行時測得的鐵損要小得多。（2）非對稱負載運行時的汽發(fā)鐵心前面我們說過，即使在正常工況下，汽發(fā)鐵心短路引起的后果，也要比異步電機嚴重的多。盡管他們從表面結構上看來那么相似。發(fā)電機運行時條件遠比異步電機要惡劣得多。異步電機通常是在三相基本平衡的狀態(tài)下運行的。發(fā)電機卻經(jīng)常要面對不平衡狀況和事故狀況。運行時，不僅必須要考慮當近端發(fā)生短路（包括兩相短路、單相對地短路和三相對稱短路，其中兩相短路最惡劣）是的保護動作和對電機的損壞，還要面對合閘時的誤同期、大電感性負荷跳閘又自動重合閘時的沖擊等，這些均會引起很大的過電流和轉矩，對電機的機械強度和電氣強度都是很嚴峻的考驗。5端部設計：汽輪發(fā)電機采用高線負荷、高磁通設計，而且極數(shù)少，線圈跨距大，端部很長，這樣定子線圈端部形成一個較大的旋轉漏磁場。所以靠近端部的結構簡設計時，往往不是光想到安全距離，而必須考慮防止漏磁和在結構件中產(chǎn)生的渦流，為此，靠近定子端部的結構件經(jīng)常會采用非導磁材料。另一方面，隱極式轉子的勵磁線圈通常采用同心式繞組，端部很長，于是就有了一個隨轉子旋轉的漏磁場。和定子的端部旋轉漏磁場一起，在發(fā)電機端部形成了一個合成的旋轉漏磁場。這其中，定子端部漏磁場為主要成分，這是因為轉子端部繞組畢竟距定子鐵心較遠一些，其漏磁通只占合成磁通的30%?40%。從位場最小路徑原理出發(fā)，可知端部漏磁通會沿著磁阻最小的路徑通過。定子鐵心壓圈（內(nèi)園）、壓指、端部鐵心邊段的渦流損耗最高。短路比小的發(fā)電機，端部漏磁就越大。在超前COSe運行時，即發(fā)電機在進相運行時，定轉子合成磁通相加，端部漏磁增大很快。這種情況下，附加損耗可占總損耗的20%。為此，設計時應盡量做到：（1） 盡可能縮短定子端部繞組的尺寸，如盡量減少線棒出槽口后的傾斜角，增大端部繞組與壓圈、鐵心間的距離，以加大磁路的磁阻，減少定子端部漏磁通。定子線棒槽口附近的齒壓板、支架、綁環(huán)、壓圈、部分螺栓及轉子護環(huán)等部件，都采用反磁性材料，以增大磁阻，減少漏磁。（2） 為了減少從軸向進入定子鐵心的漏磁通，防止磁通在邊緣鐵心齒部過分集中，導致局部出現(xiàn)高溫點，端部鐵心段一般做成階梯形，以增加氣隙，使漏磁通依磁阻分散在各階梯段上。同時也加強了端部鐵心的通風和冷卻。但這樣一來，壓圈處的漏磁會有所增大，因此15MW以上電機的壓圈、壓指或壓板采用電阻系數(shù)低的反磁性鋼。為進一步減少階梯段的渦流,6MW以上發(fā)電機在階梯段鐵心上開有徑向峽槽。并且在片間墊以絕緣紙（一般為較薄的電纜紙），以增大軸向磁阻和電阻。與定子端部接近的結構件，應保證有足夠大的距離，并盡可能采用非磁性材料，以減少感應渦流。另外，任何處在強磁場和強電場中的結構件，都要牢記圓滑過度，防止尖端的出現(xiàn)，以減少場線集中。6定子鐵心的防振蕩措施電網(wǎng)是一個振蕩系統(tǒng)，當它的振蕩頻率與定子的自振頻率合拍時，就產(chǎn)生耦合振蕩（共振）。定子鐵心的振動原因是多方面的，但首要考慮的應該是基頻振動和倍頻振動，設計時還要防止產(chǎn)生頻率高于倍頻的振動。簡單講述如下：（1） 定子鐵心的基頻振動定子鐵心內(nèi)有交變磁場通過，就產(chǎn)生交變的電動力，如果鐵心剛度不夠，或未壓緊，或片間壓力松緊不均，這種基頻振動就會產(chǎn)生強烈的振動和噪聲。如果鐵心端部設計有沒有能防止局部受熱不均勻而產(chǎn)生熱變形，就會導致該段沖片松動。在電機投入大電網(wǎng)后，當進相運行時，端部溫度場不均勻分布更加明顯，損害也嚴重。設計時對端部的考慮是基于進相狀態(tài)的。6MW以上的電機，會在端部片間增多絕緣墊片，以補償鐵心沖片的“同板差”、局部松動的情況。雖然對有效疊壓長度有所降低，但微小到可以忽略，卻能幫助我們保證鐵心緊度和增強片間絕緣。特別指出的是，這一措施對減小端部軸向漏磁引起的局部過熱有很好的作用。（2） 定子鐵心的倍頻振動①定子鐵心的倍頻振動的原因定子鐵心的倍頻振動是定子鐵心振動主要的部分。汽輪發(fā)電機的轉子是個電磁鐵，其磁極產(chǎn)生了使定子鐵心變形的磁拉力。這個磁拉力在磁極中心達到最大值，而在極間為最小值，因而使兩極汽輪發(fā)電機鐵心受到振幅周期變化的變形力，2極電機呈現(xiàn)出橢圓變形，四極汽輪發(fā)電機定子鐵心成四瓣變形，氣隙內(nèi)各點磁通密度隨轉子旋轉而改變。轉子每轉一次，鐵心的變形重復兩次，因而形成了定子鐵心的雙倍頻率振動。這是定子鐵心振動的主要來源。轉子磁拉力所引起的鐵心雙頻振動值，與發(fā)電機容量的大小沒有直接的關系，它只決定于氣隙的磁通密度和定子鐵心的剛度、彈性模數(shù)等。鐵心的剛度和定子鐵心軛高有關。而彈性模數(shù)則決定于定子沖片的材質(zhì)、沖片間的粘合情況、每圈沖片數(shù)、壓裝的壓力及鐵心固緊的方式（程度）。振動還是產(chǎn)生電磁噪聲的主要原因。雖然電磁力作用在齒和磁極上，但磁噪音主要還是磁軛的徑向振動所引起。③當定子繞組內(nèi)有電流時，槽內(nèi)有橫向于槽高的漏磁通，它使定子齒一側的磁通增加，另一側的磁通減少，既定子和轉子電流的作用，沿整個圓周積分得到一個與總氣隙電磁轉矩成正比的恒定分力F0=F0mcos20還有個振蕩分量（峰對峰的幅值遠超過平均值）趨向于將定