水轮发电机定子线棒保护方案分析

张建涛，胡　刚

(哈尔滨电机厂有限责任公司， 黑龙江哈尔滨　150040)



水轮发电机定子线棒保护方案分析

张建涛，胡刚

(哈尔滨电机厂有限责任公司， 黑龙江哈尔滨150040)

摘要：指出水轮发电机定子铁心背部的定位筋，在发电机长时间运行后铁心振动易造成边缘铁心冲片错位而危害定子线棒绝缘。用有限元法分析了在边端铁心增加不锈钢销或在定子边端铁心槽底加装U形钢板两种方案带来的损耗、电压、电流等问题。分析表明后一方案损耗略大但不会引起片间电流且工艺简单，是解决定子铁心边端振动的一个可行方案。

关键词：水轮发电机；铁心；振动；有限元；定子线棒

0引言

在水轮发电机结构设计中，定子铁心背部多采用定位筋，铁心中无穿心螺杆。长时间运行后，铁心有一定松动，在电机负荷突变或故障工况下，定子铁心的振动加剧，易引起边端铁心冲片沿径向错位，对定子线棒的绝缘构成危害。

在炳灵、康扬等水电站的改造过程中，均发现过这类问题。为此，提出两种改造方案：一是在边端铁心增加不锈钢销，用于固定边端铁心的冲片，消除冲片振动；二是在定子边端铁心的槽底加装U形钢板，以保护线棒绝缘不受冲片损害。

文章以一个12极，252槽的水轮发电机为例，采用电磁场数值分析方法，对这两种方案所带来的影响进行分析，包括发热、电流、电压等问题，最后确定最优方案。[1-3]

1边端铁心加装不锈钢销子

图1为不锈钢销子的安装示意图。水轮发电机铁心加装不锈钢销子后，销子与边端铁心紧配合，由此可能导致边端铁心的硅钢片形成片间短路，与销子形成闭合回路，从而在硅钢片中产生电流及附加损耗，下面分别对其进行计算。

图1　不锈钢销安装示意图

1.1损耗计算

1.1.1计算模型

图2　计算模型

采用三维有限元法来分析不锈钢销产生的损耗。假设在一个12极，252槽的水轮发电机的边端铁心加装N个不锈钢销子(不锈钢销子的数量N可根据实际情况选取。假设N为72)。图2为建立的十二分之一计算模型，边端铁心轴向长42 mm。同时，假定钢销与边端铁心紧配合，由此导致边端铁心的硅钢片间形成片间短路。假定短路电流在径向长度为50 mm的铁心边缘范围内，故对这一部分单独建模。

为简化分析，忽略定子端部的轴向磁场，同时假定这一铁心边缘部分为磁导率各向同性，而电导率各向异性，即沿径向、周向为一定值，而轴向为0，计算不锈钢销带来的损耗。

1.1.2计算结果

图3和图4为三维有限元法计算得到的磁场分布和铁心边缘的损耗分布。单个不锈钢销的损耗为0.022 W，整台电机的不锈钢销所带来损耗为11.1 W，铁心边缘产生的损耗为49.2 W。加装不锈钢销子后产生的总损耗为60.3 W，损耗不大。

图3　磁场分布

图4　铁心边缘损耗

1.2不锈钢销电势电流计算

1.2.1计算模型

为分析不锈钢销子的电势和电流，需做如下假设：

1) 从图1可看出，不锈钢销子只有一部分被打入边端铁心当中，外面部分由于离定子绕组较远，磁密很少，故不考虑裸露在外的部分，只考虑铁心中的一段。

2) 为计算通过不锈钢销子中的电流，假设销子间通过硅钢片短接，从而形成回路。

根据以上假设，建立场路耦合的二维有限元求解域，如图5所示。图6为不锈钢销等值电路，其中M1～MN为销子等值导体，R1～RN为连接销子的硅钢片等值电阻。在图7中，销子1和销子2为不锈钢销打入铁心中的部分(约42mm)，阴影部分为硅钢片，箭头为销子和硅钢片形成的回路的电流方向，假设硅钢片全部通过销子短接，则可将42mm厚的硅钢片沿虚线均分成两部分，上下两部分的电阻也就是R1～RN的阻值。

图5　二维求解域

图6　不锈钢销等值电路

图7　销子截面示意图

1.2.2计算结果

图8和图9为计算得到的销子的电压和当两部短接时流过销子中的电流。结果可以看出，销子两端的电压很小，最大峰值不到0.2V，而流过硅钢片的最大电流为20A。因此，在边段铁心中加不锈钢销子，会在边段铁心中产生较大的电流，该电流在边端铁心中产生的涡流损耗为33.8W，接近于三维场计算结果。

图8　销子感应电压

图9　硅钢片中的电流

2边端铁心槽底放不锈钢板

图10为在边端铁心的槽底放置的U形钢板。由于钢板采用不锈钢材料，离定子线棒很近，有可能产生过热问题。钢板部分在槽内，部分在槽外，所处的磁场完全不同，故将其分两部分。采用二维电磁场有限元法，分别计算两部分钢板各自产生的涡流损耗。

图10　钢板示意图

2.1计算模型

根据水轮发电机的实际结构，拟在铁心端部的槽底放置一U形钢板，轴向长度为42 mm。为此，可建立电机的二维有限元模型，如图11所示。在定子绕组上施加三相额定电流，转子上施加额定励磁电流，采用二维瞬态磁场进行计算，就可以得到电机的磁场分布和钢板的损耗分布。

图11　槽内钢板损耗计算模型

2.2计算结果

图12为计算得到的电机二维磁力线分布。图13为其中一个U形钢板的损耗分布。可以看出，损耗主要集中在钢板的开口位置。图14为得到的单个钢板的损耗在一个周期内随时间的变化曲线，则可以得到单个钢板的平均损耗为1.6 W。

图12　二维磁场分布

图13　钢板开口处损耗分布

图14　单个钢板损耗随时间的变化曲线

2.3槽外钢板损耗计算

2.3.1计算模型

将图11所示的计算模型中的定转子铁心材料换成空气，就可建立图15所示的钢板槽外部分损耗的计算模型，并采用二维有限元法进行计算。

图15　钢板槽外部分损耗计算模型

2.3.2计算结果

图16为其中一个U形钢板槽外部分的损耗分布，单个钢板的平均损耗为0.02 W，损耗很小，基本可以忽略，因此，在分析时，可以完全不考虑槽外部分，只考虑槽内部分即可。

图16　钢板槽外部分的损耗

从以上分析可以看出，在槽底加U形薄钢板，每个钢板可以产生1.62 W的损耗，则整台电机用U形薄钢板所产生的总损耗为816.5 W，不会产生过热问题，而且对电机不会造成别的影响。

3结语

将两种方案的计算结果汇总如表1所示。分析表明，加装不锈钢销会引起硅钢片片间短路，导致损耗增加。虽然损耗不大，但在铁心中产生了较大的片间电流，这是不允许的。而在槽底加一U形钢板，损耗虽然比加装不锈钢销引起的损耗略有增加，但没有电流的影响，而且工艺也较简单，易于实现。因此为了有效防止定子冲片的径向振动，保护定子线棒的最优方案是在定子边端铁心的槽底加U形钢板。

表1　两种方案对比

研究成果解决了老机型水轮发电机边端铁心由于径向振动而损害定子线棒绝缘的问题，对水轮发电机的改造项目提供理论依据。

参考文献

[1] 白延年.水轮发电机的设计与计算[M].北京：机械工业出版社，1982.

[2] 谢德馨，姚缨英，白保东.三维涡流场的有限元分析[M].北京：机械工业出版社，2001.

[3] 莫会成，闵琳，于志刚，等.电机用硅钢片铁耗研究[J].微电机，2008，41(28)：5-7.