汽轮发电机定子铁心的设计和制造.doc

汽轮发电机定子铁心的设计和制造一、 定子铁心中的物理现象：1、 概述： 汽轮发电机定子铁心是电机中磁路的主要部分，与转子不同的是，他要处于交变磁场中，磁场随电流的频率而变化。 在交变磁场中，铁心将出损失能量，称为铁损，铁损占了电机能量损耗的2530%。铁损包括磁滞和涡流两个分量损耗： qFE =1+2t2其中1 磁滞损耗 2t2 涡流损耗系数1、2与频率、材料及磁密有关。在采用特定磁密（如1.5T）和固定频率（如50HZ）分析时，可以认为都是只与材料有关的常数。t 表示与铁片（硅钢片）厚度有关的系数，当厚度由0.1增加到0.5mm时，损耗增加1.4倍，厚度为1mm时增加到2.3倍。2、 冲片： 由前面的叙述可知，定子铁心中的涡流与导磁材料的厚度有关，因此要把铁心分成彼此绝缘的薄片。每片厚度0.5mm.。目前我国质量最优秀的无取向硅钢片（各向同性）是武钢生产的。在设计时除电机效率外，还要综合考虑到成本和工艺因素，为了减少铁心振动，有意加大铁心外径和轭部尺寸，取相对低些的轭部磁密，并增大压装力。 0.5mm厚的硅钢片的刚度（E）是0.35mm厚硅钢片的1.5倍，且价格较后者低，损耗仅高10%，因此一般选用0.5mm厚的硅钢片 冲片冲成后应严格去毛，30MW以下电机毛刺应控制在20m以下，6MW、6KV及以下电机可控制在30m，（同电压异步电机可控制在50m以下）50MW电机毛刺应控制在10m以下。3、 冲片绝缘 冲片必须双面涂覆高电阻的F级绝缘漆，单边厚度约为48m，用标准测量方法时，片间电阻10 6/cm2,击穿电压10V 汽轮发电机对冲片的绝缘要求远远高于一般的水轮发电机，更不要说一般高压异步电机，下面从理论上加以阐述。（1） 正常运行时的冲片绝缘铁心冲片间绝缘的损坏造成片间的局部短路，短路点的温度会升高，与其它类型电机不同的是，这将引起严重故障，已有过机毁人亡的教训，所以不得不拆卸整个电机。当冲片或槽口某两片间出现短路时，根据右手螺旋法则，磁通将在铁心中感应电势，经槽钢焊缝、钢片和短路B处形成回路。B点的直径越小，穿过回路得磁通越大，短路电流也逾大。短路地带温度将局部升高，破坏片间绝缘，逐渐扩展至全部叠片组厚度，一般不会漫延到被通风槽隔开的相邻叠片组。但是足够破坏被他灼烧的定子绕组的绝缘。现在你可以想到后果了吧？但我们不妨再来个定量分析。损坏了片间绝缘的短路处，相当于只有一匝的变压器次级绕组，这个“变压器”的初级绕组就是汽轮发电机的转子激磁磁势AW0。与一般变压器不同的是，他的大小与次级电流无关。每匝感应电势为： Eh0 = 4.44 f Ba hj bp10-8 V短路造成回流Ih后：Eh = Eh0() =Eh0(1-)Fh是受损硅钢片回流Ih的去磁作用，造成损耗：Qh = Eh Ih = Eh0Ih(1-)求极值得：Ihmax = 即在最坏情况下，片间短路处要流过转子磁势一半的电流Qhm = kdEfbpBBjhj10-11 （2-5）通常kde=1.27；f=50赫兹； bp=5cm；Bj=15000高斯；B=7800高斯对于这些数据 Qhm = 0.34hj千瓦 （2-6）即当其他条件相同时，片间绝缘损坏处所能产生的最大损失与空气隙铁心轭高成正比。大家知道，只有汽轮发电机才有很大的空气隙和很大的轭部径向尺寸，在极数很少的条件下，容量增加时h值就显然的增长。对于2KW左右的大型异步电动机，空气隙的数值近似= 0.2cm和hj = 10cm，得到 Qhm = 0.340.210=0.68kW对于中型汽轮发电机，应该用= 2.8cm和hj = 30cm代入。这样就得到最大的损失： Qhm = 0.342.830=28.6kW因此，在汽轮发电机钟，当片间绝缘损坏时，损失要比其它的电机中大数十倍。电机的运行经验及制造过程中试验数据都指出，只有在汽轮发电机中才有可能发生和片间绝缘损坏有关的严重故障。在我国类似事故发生过多起有机毁人亡的例子，凡遇到铁心短路排除不了，制造厂家通常不敢怠慢，总是要求发电机全部拆开。必须指出，在工厂和电站中的铁损试验，所得到的数值是和真实的情况不相同的。（2） 非常运行时的汽发铁心 与异步电机不同的是，后者是在三相基本平衡的状态下运行的，尽管前面我们说过，即使在正常工况下，汽发铁心短路引起的后果，也要比异步电机严重的多。尽管他们从表面结构上看来那么相似。 发电机运行时条件又远比异步电机要恶劣得多。发电机运行时如果近端发生短路（包括两相短路、单相对地和对称、三相短路，其中两相短路最恶劣），或者线路故障切除又自动重合闸的冲击，或误同期等，均引起很大的过电流和转矩，对电机的机械强度和电气强度都是很严峻的考验。 电网也是一个振荡系统，当他的振荡频率与定子的自振频率合拍时，产生耦合振荡（共振）。 定子铁心的振动原因是多方面的，主要有基频振动和倍频振动，还会生产频率高于倍频的振动。1） 定子铁心的基频振动 定子铁心内有交变磁场通过，就产生交变的电动力，如果铁心未压紧，或压制紧松不均匀，这种基频振动就会产生强烈的振动和噪声。如果铁心端部局部受热不均匀产生热变形，就会导致该段冲片松动。特别是进相运行时，端部温度场不均匀分布更加明显，损害也严重，2） 定子铁心的倍频振动 定子铁心的倍频振动的原因 定子铁心的倍频振动是定子铁心振动主要的部分。汽轮发电机的转子是个电磁铁，其磁极产生了使定子铁心变形的磁拉力。这个磁拉力在磁极中心达到最大值，而在磁极之间为最小值，因而使两极汽轮发电机铁心呈椭圆变形和四极汽轮发电机定子铁心成四瓣变形，如图5-17所示，气隙内各点磁通密度随转子旋转而改变。极的转子每转一次，铁心的变形重复两次，因而形成了定子铁心的双倍频率振动。这是定子铁心振动的主要来源。转子磁拉力所引起的铁心双频振动值与发电机容量的大小没有直接的关系，它只决定于气隙的磁通密度和定子铁心的刚度、弹性模数。铁心的刚度和定子铁心轭高有关。而弹性模数则决定于定子冲片的材质、冲片间的粘合情况、每圈冲片数、压装的压力及铁心固紧的方式（程度）。振动还是产生噪声的主要原因。虽然电磁力作用在齿和磁极上，但磁噪音主要还是磁轭的径向振动所引起。当定子绕组内有电流时，槽内有横向于槽高的漏磁通，它使定子齿一侧的磁通增加，另一侧的磁通减少，既定子和转子电流的作用，沿整个圆周积分得到一个与总气隙电磁转矩成正比的恒定分力F = F mcos2,还有个振荡分量（峰对峰的幅值远超过平均值）趋向于将定子缩向转子。这个周向力产生与力有空间相位移的径向变形d=dCOS2(-45。)=dSin2二、 端部和结构件的铁损：汽发采用高线负荷和高磁通设计，而且极数少，线圈跨距大，端部很长，这样定子线圈端部形成一个较大的旋转漏磁场。此外隐极式转子在转子线圈端部也很长，也有一个随转子旋转的漏磁场。以上两个旋转漏磁场在端部形成一个合成的旋转漏磁场，其中定子端部漏磁场为主要成分，这是因为转子端部绕组距定子铁心较远，其漏磁通只占合成磁通的30%40%。 从位场最小路径原理出发，可知端部漏磁通会沿着磁阻最小的路径通过。定子铁心压圈（内园）、压指、端部铁心边段的涡流损耗最高。 短路比小的发电机，端部漏磁就大。 超前COS运行时，即发电机在进相运行时，定转子合成磁通相加，端部漏磁增大很快。一般情况下，附加损耗可占总损耗的20%。为此，设计时应尽量做到：（1） 尽可能缩短定子端部绕组的尺寸，如尽量减少线棒出槽口后的倾斜角，增大端部绕组与压圈、铁心间的距离，以加大磁路的磁阻，减少定子端部漏磁通。（2） 定子线棒槽口附近的齿压板、支架、绑环、压圈、部分螺栓及转子护环等部件，都采用反磁性材料，以增大磁阻，减少漏磁。（3） 为了减少从轴向进入定子铁心的漏磁通和防止磁通在边缘铁心齿部过分集中导致局部出现高温点，端部铁心段一般做成阶梯形，以增加气隙，使漏磁通依磁阻分散在各阶梯段上。同时也加强了端部铁心的通风和冷却。但这样一来，压圈处的漏磁会有所增大，因此15MW以上电机的压圈、压指或压板采用电阻系数低的反磁性钢。为减少阶梯段涡流，6MW以上发电机在阶梯段铁心上开有径向峡槽。并且在片间垫以绝缘纸（一般为较薄的电缆纸），以增大轴向磁阻和电阻。与定子端部接近的结构件，应保证有足够大的距离，并尽可能采用非磁性材料，以减少感应涡流。三、 机座和铁心的隔振 在正常运行的铁心要承受基频和倍频振动。在三相（对称）短路时会极大加剧，引起椭圆变形。而两相短路时尤为危害严重。除以上圆周的振动外，还会因负序和零序分量的存在使定子铁心出现扭转振动，而定子端部漏磁的轴向分量还引起定子铁心的轴向双频振动。造成机组变形，甚至严重事故。 为了减小铁心振动，应采取措施提高铁心刚度和弹性系数。首先须加强压紧效果。在大型电机中，定子定位筋外侧加有钢带紧固环，并有切向弹簧板和卧式弹簧板，此外四极发电机铁心为8节点变形，一般未采用隔振弹簧。机座与铁心间隔振也是有一些作用的辅助措施，作为对以上措施的补充。但这并不能减小铁心本身的振动和轴承传来的工频振动。 叠压铁心的工艺有很重大的意义，除了分段加压外，大型电机还采用了