水轮发电机定子绕组端部电动力3D分析.doc

2014. 7 大 电 机 技 术 791000MW水轮发电机定子绕组端部电动力3D分析李建富1，周光厚1，肖翦1，刘传坤1，黄群2（1.东方电气集团东方电机有限公司，四川 德阳，618000；2.华能景洪水电工程建设管理局，云南 景洪，666100）摘 要 本文基于3D瞬态电磁场有限元法，分析了一台1000MW、54极的大型水轮发电机的端部磁场及绕组电动力分布。计算综合考了转子旋转、铁心饱和、时变等因素的影响，分析了额定工况及典型事故工况如突然短路和误合闸下的端部电动力的分布规律，根据分析结果有针对性地提出了端部结构的设计建议。关键词 水轮发电机；定子绕组；端部电动力；三维有限元中图分类号 TM312 文献标识码 B 文章编号 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 引言随着水力发电技术的不断提高，水轮发电机单机容量不断增加，目前世界上已运行的水轮发电机最大单机容量为800MW，而在研的白鹤滩电站单机有功高达1000MW，将来甚至可达1600MW。越来越高的电磁负荷，使设计难度大大增加，如何合理控制高负荷下的定子端部绕组电动力、端部附加损耗、结构件温度，是对电机设计者的巨大挑战。特别地，在发生系统短路及误合闸等事故时，定子绕组最高将产生数十倍额定值的电动力，若端部线棒的固定方式满足不了要求，巨大的电动力可能会导致端部线棒固定结构破坏，线棒崩开，造成毁灭性后果。准确地计算端部电磁场及端部电动力，是科学合理地设计电机电磁方案及端部结构的前提。根据经典的安培电磁力理论，载流导体电磁力性质与其电流及所在位置的磁通密度的方向、大小相关。在故障工况下，强大的冲击电流产生的端部磁场的计算精度，是端部电动力准确计算的关键。对于端部电动力的计算方法，国内外学者进行了图1 崩裂的水轮发电机端部线棒大量的研究，计算方法不断改进。目前工程上广泛采用的方法是镜像法结合Biot-Savart定律进行解析求解，这种方法计算量小，速度快，但忽略了端部结构件的涡流效应及端部磁场的非线性。众所周知水轮发电机在事故工况下，巨大的冲击电流使电机磁路处于高度饱和，因此忽略非线性对磁场计算结果的精确度的影响相当大，采用这种方法存在一定的局限性。本文在前人研究的基础上，为提高计算精度，采用全三维运动电磁有限元数值方法，全面考虑端部结构的实际结构尺寸、涡流效应、非线性效应，考虑转子运动及励磁电流冲击，综合分析了三相、两相突然短路及120度、180度误合闸等典型严重事故工况下，1000MW水轮发电机的端部磁场及电动力分布规律，为1000MW水轮发电机的端部结构设计提供依据。2 三维数值分析模型大型水轮发电机端部结构较复杂，包括端部定子绕组渐开线、压指、压板、边段铁心阶梯齿、阻尼环、磁极压板等，其中压指、压板、阻尼环、磁极压板等结构中存在涡流，考虑其涡流对端部漏磁场的影响。 图2 大型水轮发电机端部结构示意图 3 1000MW水轮发电机端部模型（隐藏空气域）在端部三维运动电磁场的求解区域中，含导电介质的涡流区中，采用三维有限元法表述的发电机端部涡流场的控制方程为：其中，为标量位，为矢量位，为电流密度，为磁导率。非涡流区中，电磁场三维有限元控制方程为：铁心轴向断面（z=0）上的边界条件为：求解区域外圆面和端面上的边界条件为：3 不同故障工况下定转子电流发电机机端发生突然短路、误合闸等是发电机运行中最为严重的故障工况之一，巨大的冲击电流和电磁力、电磁转矩可能对发电机轴系、端部固定结构、电机绝缘等造成严重损伤。图4 突然短路、误合闸等事故网机耦合仿真模型本文通过电力系统专业仿真软件SIMSEN，仿真计算三相突然短路、两相突然短路、180误合闸、120误合闸等工况下，定转子绕组中的冲击电流。图5 三相突然短路定子电流（A相）图6 三相突然短路励磁电流图7 120度误合闸定子电流（A相）图8 120度误合闸励磁电流4 额定负载分析4.1 额定负载端部磁场分布将仿真得到的定子三相电流及转子励磁电流结果作为输入边界条件，加载在端部三维运动磁场有限元模型中，以瞬态磁场3D求解器进行计算，分析其端部磁场分布及电动力分布，并与额定工况进行对比。图9 定子端部铁心磁密分布图10 定转子子端部磁密矢量剖面图4.2 额定负载电动力计算图11 端部电动力密度某坐标点上拉普拉斯力的密度可以用该点的电流密度和磁通密度来表示：某个体区域上所受的拉普拉斯力总和表示为：4.2.1 电动力在时间上的分布在时域上一个周期内，分别在r、z方向上，对各端部绕组的进行积分，可得到各端部绕组电动力的时域分布图如下。图12 额定负载柱坐标下A相端部电动力一周期的变化结果可见：a) 频率方面各线棒电动力均以二倍工频变化；b) 受力方向轴向及径向分量在一个周期内基本上都是正方向，分别表示向两端、向外。而切向分量的方向与线棒在相带中的位置有关。相带左侧与右侧的线棒切向受力方向相反。c) 受力大小最大分量是径向分量，同一相带中，异相槽线棒(相带边缘)受力最大，处于相带中间的线棒受力最小。需要注意的是，每根线棒的电动力都可以分解为一个不变分量和可变分量。其中不变分量只使线棒产生静变形，而不会造成振动，可变分量将造成线棒振动。因此更应该关心电动力峰峰值而不仅是其最大值。4.2.2 电动力在空间上的分布为直观地观察电动力在圆周上分布，将一对极下对应的线棒受力以电角度作图，每60为一个相带，0-60为A相带，其他依次分别为Z, B, X, C, Y相带。图13 额定工况A相电流相位为0、45、90、135度时径向电动力分布5 故障工况分析采用同样的方法，对三相突然短路、两相突然短路、120度误合闸、180度误合闸等事故工况进行了分析。图14 180误合闸6、10、14、16ms的径向受力图15 180误合闸6、10、14、16ms的切向受力图16 180误合闸6、10、14、16ms的轴向受力 (下转第103页)(上接第78页)工况切向力峰峰值（N）径向力峰峰值（N）轴向力峰峰值（N）额定负载177.2328.954.3三相突然短路12738.88211.34627.3两相突然短路12911.56880.74159.5120误合闸12288.17172.84076.9180误合闸16172.17579.35866.6综合不同典型故障工况，三相、两相及120度误合闸工况下，电动力水平相当，而180度误合闸时，端部电动力水平达到最大值，其峰峰值达额定91倍。因此，端部结构设计应考虑180度误合闸的极端情况。图17 不同工况端部电动力综合对比须引起注意的是，在额定工况下，径向分量最大，但所有非正常工况中，电动力的切向分量远高于其径向、轴向分量。因此在设计端部支撑结构时，要特别注意切向力的作用，采取有效措施加强固定。6 结论本文采用三维运动电磁场有限元方法，较全面地考虑端部结构的实际结构尺寸、涡流效应、非线性效应，考虑转子运动及励磁电流冲击，计算了1000MW水轮发电机在额定及多个典型事故工况下的端部电动力，得到了电动力在时间上、空间上的分布规律，根据分析结果，有针对性地提出了结构设计建议。参 考 文 献1 毕纯辉，李淑钰，戴景民.水轮发电机定子绕组端部电动力的计算J.大电机技术，2001(3):11-13.2 张甲 等.大型汽轮