600MW发电机定子空心股线堵塞时温度场分布的数值分析

雷一鸣，张 莉

(上海电力学院能源与环境工程学院，上海 200090)

火电机组的发展使得发电机的单机发电容量也在不断增大，大容量发电机运行时损耗产生的更多热能能否及时被冷却介质带走是关系着发电机安全运行的重要问题.随着发电机冷却技术的发展，水-氢-氢已经成为目前大型汽轮发电机比较成熟的冷却方式.但是冷却水在冷却铜材质制成的发电机定子线棒空心股线中时，由于冷却水水质不能保证始终控制在最优状态，难免会使定子线棒的空心股线发生腐蚀，造成空心股线的堵塞.而空心股线一旦堵塞，冷却水无法及时地将热量带走，就会造成发电机定子的局部“超温”，危及发电机的安全.

由于定子冷却水路在定子线棒空心股线中的堵塞现象是水内冷汽轮发电机中常见的故障之一［1］.因此，运行现场常通过布置在定子线棒上的温度测点来监测定子线棒是否超温，一旦定子线棒的监测温度大于某一规定值，发电机必须降低负荷，以确保安全.但是就发电机现场对定子线棒温度的实际监测情况来看，对于有一定横断面积的定子线棒，通常并没有对定子线棒横断面进行足够点位的温度监控，而仅在上、下线棒交接处的某一位置上布置了测温元件，定子线棒是否“超温”也就仅靠测量这一位置上的温度来判断.但是这一测点处的温度并不一定能反映出整个定子线棒“超温”的实际情况.比如当定子线棒被堵塞的空心股线距离温度测点较远时，定子线棒的局部即使“超温”，也有可能不会被测点处的温度反映出来.因此，有必要对定子线棒不同位置处的空心股线堵塞后的温度场进行数值模拟，让运行人员能够事先对定子线棒不同空心股线堵塞后可能出现的温度场分布有所了解，为现场运行人员提供有益的参考.

本文以某600 MW发电机为研究对象，采用有限元法，研究了该发电机定子线棒空心股线未堵塞，以及空心股线在不同堵塞情况下汽轮发电机定子线棒横断面上的温度场，总结了不同堵塞情况下定子线棒温度场的变化规律.

1 定子线棒传热模型

1.1 定子线棒的结构

水内冷汽轮发电机定子槽内一般有上下2根线棒，每根线棒是由空心铜导线和包有股间绝缘的实心铜导线组合排列而成.中型汽轮发电机的定子线棒由2排铜导线组成，大型汽轮发电机需要4排甚至6排铜导线［2］.定子绕组在槽内通过槽底、层间槽楔、垫片、波纹板和绑扎带实现固定;通过股间绝缘、排间绝缘、主绝缘达到绝缘目的.

1.2 定子线棒的传热模型及若干假设

根据实际情况，当发电机稳态运行时，可以认为其中的温度不随时间变化，因此定子线棒内温度场的求解问题是一个带内热源的稳态导热问题.首先，电流流过定子线棒的铜股线时会产生损耗，产生的损耗以发热的形式表现出来，因此在实心和空心股线上有内热源存在;其次，定子线棒的热损是通过空心股线中流过的冷却水携带走的，所以在空心股线的内孔边界被冷却水以表面对流换热方式进行冷却，即空心股线内孔边界上为第3类边界条件;此外，定子线棒的外边界为主绝缘边界，空心股线发出的热量还可以通过主绝缘边界散出.

为了使得定子线棒导热问题能够求解，还需对传热模型作若干假设，具体如下:

(1)认为涡流效应对每根股线的影响相同，即取铜股线上的铜耗发热平均值;

(2)当空心股线未被堵塞时，冷却水的流动处于紊流状态，空心股线内边界上的表面对流换热系数可通过管内对流换热实验关联式确定;

(3)当空心股线堵塞时，冷却水无法在空心股线内流动，而是在空心股线内边界上根据第3类边界条件转化成由冷却水填充的内部区域;

(4)冷却水沿定子线棒轴向呈近似线性变化，在进行二维温度场计算时，冷却水的温度可取冷却水进、出水温度的平均值;

(5)定子线圈横断面所涉及材料的导热系数各向同性且不随温度变化，即不同材料的λ均为定值;

(6)考虑到定子线棒发出的热量主要是由冷却水携带走的，而通过主绝缘散出去的热量较少，可以认为主绝缘边界为绝热边界.

1.3 定子线棒温度场的数学模型

根据传热学知识［3］，汽轮发电机稳定运行时，定子线棒横断面上的二维稳态温度场的数学模型为:

式中:T——定子线棒内的温度;

λ——不同材质物体的导热系数;

φ——为铜心股线上的的热源强度;

s1——边界为主绝缘的外边界;

s2——边界为空心股线的内孔边界.

2 计算对象及计算模型的确定

2.1 计算对象简介

本文选取某600 MW发电机定子绕组中的1根下层线棒作为研究对象.该定子线棒由16根空心铜导线和32根实心铜导线组成，分为4排，每排又分4组，每组由1根空心铜导线和2根实心铜导线组成.该型号发电机的额定值见表1.

表1 某600 MW汽轮发电机的额定值

2.2 计算模型的确定

在定子线棒的横断面上，通常存在绕组铜导线、主绝缘、绑扎带，以及股间绝缘、排间绝缘等5种材质.计算对象的铜导线所用的铜为2#纯铜;主绝缘材料为环氧玻璃粉云母多胶带;绑扎带的主要成分为无碱玻璃纤维;股间绝缘的主要成分是薄层玻璃纤维;排间绝缘材料为多胶玻璃粉云母板.对于每一种材质，在计算前查出其导热系数，并应用于求解过程中.

在假定冷却水处于充分发展的紊流状态的情况下，空心股线内界面的表面对流传热系数可以按照管内强制对流换热实验关联式计算.

根据前面的假设，假定铜股线上的铜耗发热均匀.由文献［4］可知，通常600 MW 汽轮发电机的基本铜耗占其额定容量的0.3%，经过计算可得铜股线上单位体积的生热率.

3 计算结果与分析

采用上述传热模型，对所选取的600 MW发电机定子下层线棒进行了空心股线未堵塞和不同程度堵塞时定子线棒横断面温度场的分析工作.空心股线的堵塞除了1根股线堵塞和多根股线堵塞外，还有在横断面上堵塞位置的不同等情况.

3.1 空心股线未堵塞

在空心股线均未被堵塞，冷却水流动畅通的情况下，得到的定子线棒横断面的二维温度场，如图1所示.

由图1可以看出，空心股线由于冷却水的适当冷却，温度相对较低，比水温略高，而实心股线温度相对较高.对于外缘靠近主绝缘层的线棒，由于主绝缘层外按照绝热边界处理，因此线棒散热条件相对较差，温度比中部线棒要高.由于横向主绝缘与空心股线距离较近，一部分热量可以被空心股线带走，因此横向主绝缘的温度比径向主绝缘温度低4℃左右.此外，温度最高点位于实心线棒密集区，与主绝缘交界处，温度最低点位于空心股线内壁.

图1 空心股线未被堵塞时的温度场分布

另外，图1所示的定子下层线棒横断面上的温度场分布较为合理，符合定子绕组在正常运行时，温度均在80℃以下的规律［2］，从而证明了本文建模及求解的正确性;所得到的计算结果也表明，定子线棒上、下棒交接处的温度较高，现场对定子线棒温度监控的测点设置在上、下线棒交接处，有一定的代表性.

3.2 1根空心股线堵塞

在对空心股线被堵塞的有限元进行分析时，考虑到空心股线被堵塞时，大多是在某一局部位置处发生堵塞，导致冷却水无法流通，所以堵塞时空心股线内填充的物质为内冷水.而对于其余未被堵塞的空心股线的内边界仍然是对流边界条件.由于模型的对称性，本文只讨论上两排股线的堵塞情况，分析4种1根空心股线被堵塞情况下的温度分布.图2为1根空心股线在堵塞位置不同时，计算得到的定子线棒的温度场分布.

由图2可看出，1根空心股线被堵塞时，定子线棒横断面上的温度分布不仅有别于空心股线未被堵塞时的温度分布，而且当堵塞位置不同时，温度分布也不相同.当靠近主绝缘的空心股线发生堵塞时，受主绝缘外近似绝热的边界条件影响，股线周围区域内温度变化显著，尤其是处于边角位置的空心股线发生堵塞时，传热条件恶化，最高温度与最低温度甚至相差约40℃.

当被堵塞的空心股线位于线棒的中部位置时，温度分布的变化主要发生在被堵塞的空心股线周围，该区域内温度升高，横断面上最高温度与最低温度相差约为20℃，但此时主绝缘处的温度并未受到影响.

图2 1根空心股线堵塞时的温度场分布

通过分析发现，当空心股线堵塞时，发生堵塞的空心股线及其周围临近的实心股线温度急剧升高，升温区域没有在周边形成扩散的趋势，这主要是由于排间及股间绝缘隔热的影响，被堵塞股线的热量无法被周边空心股线内的冷却水有效带走所致.而当被堵塞的空心股线距离温度测点较近时，温度测点能够很快地监控到“超温”，但当被堵塞的空心股线位于线棒的中部位置时，位于上、下线棒交接处的温度测点不一定能够监控到定子线棒内部区域的“超温”现象，表面上符合“定子线棒层间最高与最低温度间的温差小于8℃”的相关规定［5］，实际上已构成了安全隐患.

3.3 多根空心股线堵塞

采用同样的方法，本文还对2根、3根空心股线发生堵塞的情况进行了有限元分析，分析结果分别见图3和图4.

将图3和图4的温度分布与图2的温度分布进行分析比较发现，当多根堵塞的空心股线不相邻时，堵塞的空心股线周边区域的升温情况与1根空心股线发生堵塞时的情况近乎相同，而且这些升温区域相互影响不大，因此线棒的最大温差情况也与1根空心股线堵塞情况下的相一致.但当堵塞的空心股线相邻时，不同堵塞空心股线的升温区域就会互相作用，加剧温度的升高，温度最高点出现在2根线棒中间绝缘处.当2根位于线棒内部的相邻空心股线发生堵塞时，由于热量可以被周围的空心股线带走一部分，所以局部过热的情况(2根堵塞时最大温差约为22℃，3根堵塞时最大温差约为44℃)要好于堵塞的空心股线集中在主绝缘附近时(2根堵塞时最大温差约为67℃，3根堵塞时最大温差约为120℃).

此外，定子线棒最大温差值随堵塞股线的聚集程度及距离主绝缘的远近程度而变化.总体来说，聚集程度越密，最大温差越大;距离主绝缘越近，最大温差越大.而且现场的温度测点不能及时反应出定子线棒内的“超温”，比如3根空心股线堵塞，但不临近下层线棒的上层主绝缘(即温度测点布置位置)时，温度测点处的温度约为61℃，与空心股线未堵塞时的温度相差无几.

图3 2根空心股线堵塞时的温度场分布

图4 3根空心股线堵塞时的温度场分布

4 结论

(1)定子线棒的空心股线堵塞后，其温度场会发生变化，附近区域温度有所升高，而且堵塞越集中，堵塞的空心股线距离主绝缘越近，导致温度分布不均匀性越大.

(2)空心股线未堵塞时，用布置在上、下层线棒间的测温元件测量得到的温度来表征定子线棒的“超温”有一定的代表性.

(3)当空心股线堵塞时，尤其是堵塞的空心股线与测温元件不临近时，堵塞引起的“超温”并不能被测点测得的温度反映出来，也就是说，测点温度正常，并不一定代表定子线棒不“超温”.

［1］马天忠.电机状态监测和故障诊断［M］.北京:机械工业出版社，2007:842-850.

［2］汪耕，李希明.大型汽轮发电机设计、制造与运行［M］.上海:上海科学技术出版社，2000:219-227.

［3］杨世明，陶文铨.传热学［M］.北京:高等教育出版社，1988:25-28.

［4］丁舜年.大型电机的发热与冷却［M］.北京:科学出版社，1992:22.

［5］国家电力公司.防止电力生产重大事故的二十五项重点要求［M］.北京:中国电力出版社，2000:15-17.