某汽轮发电机导电杆温升研究

刘维维，安志华，刘 双，秦光宇

(1. 哈尔滨电气集团有限公司，黑龙江哈尔滨 150028； 2. 哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

随着汽轮发电机容量的不断增加，电机关键部件的温度控制成为设计阶段的重要参考指标。目前对汽轮发电机定子、转子温升的研究比较常见，但对导电杆温度的研究鲜有报道。

以某汽轮发电机导电杆为研究对象，该导电杆不同于一般汽轮发电机，采用软连接结构，热阻较常规结构增加，所以对其温升的研究是十分必要的。热网络法具有求解时间短的优势，但无法获得具体位置的温度分布情况；有限元法可以得到具体的温度分布情况，但建模、求解时间较长；电-热耦合方法只需输入电流大小和材料电阻率随温度的变化曲线，计算过程中会根据导体中的电流方向和温度值进行自动的损耗源计算，避免了损耗源不准确对结果的影响。本次研究分别采用上述三种方法对导电杆的温升进行了计算。

1 导电杆结构简介

本文研究的导电杆采用软连接结构，如图1所示。分为上下两瓣，采用铜材质，两瓣间绝缘板厚度为10 mm，外套绝缘套筒，套筒外是转轴。导电杆上的热量经绝缘套筒、转轴传导至转轴表面，然后以对流换热[1]的形式散到电机内的冷却介质中，实现导电杆的冷却。

图1 导电杆装配示意图

2 温升计算

2.1 热网络法

根据导电杆结构建立热网络模型，如图2所示。导电杆、绝缘套筒、转轴之间的热量传递方式[2]为热传导，转轴外表面的热量传热方式为对流换热。计算中，将导热分别用径向导热和轴向导热表示。

图2 温升计算网络

对导电杆进行分段施加热源，导电杆上的损耗根据电流值和不同长度对应电阻计算确定。上瓣长度分别为：1 228 mm，50 mm，100 mm，102 mm，100 mm，50 mm，977 mm；下瓣长度分别为：1 228 mm，50 mm，100 mm，102 mm，100 mm，50 mm，1231 mm。导电杆的轴向导热热阻和径向导热热阻用R11和R12表示；绝缘套筒的轴向导热热阻和径向导热热阻用R21和R22表示；转轴的轴向导热热阻和径向导热热阻用R31和R32表示；导电杆间绝缘的轴向导热热阻和径向导热热阻用R41和R42表示。经过计算，上瓣最高点温度为87.4 ℃，下瓣最高点温度为87.6 ℃。

2.2 有限元法

计算基于如下假设：

(1) 计算相关损耗时，认为电流方向为对应导体截面的法向；

(2) 螺钉与导电杆之间、软连接与导电杆之间均紧密接触；

(3) 损耗均匀加载在电流流经的导体上。

根据导电杆结构及热量传递路径，确定计算区域。其中包括转轴、导电杆、软连接、绝缘、引线螺钉、导电螺钉、集电环以及空气。计算中，电流流过的导体均为热源，损耗值根据电流大小以及对应导体电阻确定；转轴、集电环表面施加对流换热边界条件，不同区域的对流换热系数及空气温度均有差异。计算结果如图3～4所示。

计算结果表明，导电杆上瓣最高温度为91.2 ℃，下瓣最高温度为91.3 ℃，导电杆最高温度位于软连接区域。与热网络法相比，有限元法能够清晰地看出各个位置的温度情况，由于计算过程中，导热方向不是人为给定的轴向和径向， 而是计算过程中自适应的结果，且热源是加在导体上，而不是一个点源，所以对温度的模拟相对来说更为准确。

图3 计算区域温度云图

图4 导电杆温度云图

2.3 电-热耦合法

电-热耦合计算时采用与有限元法相同的计算模型，计算过程中给定导电杆、导电螺钉、引线螺钉、软连接等的材料电阻率随温度的变化曲线。耦合计算时，给定电流值，以及外表面散热边界条件。温度分布情况如图5，电流方向示意图如图6。计算结果表明，导电杆上瓣最高温度为89.6 ℃，下瓣最高温度为89.9 ℃，最高温度位于软连接区域。

图5 计算区域温度计算结果

图6 电流方向示意图

采用耦合方法计算时，具有以下优点：

(1) 热网络法和有限元法计算中，损耗源根据电流和计算的电阻值确定，人为规定了电流在导体中的流动方向，由于电流在导体中的方向并不是与假定的完全相同，因此计算损耗值时，必然会引入一定的偏差。而采用耦合计算时，会根据导体中电流的流向，如图6所示，更为准确地确定能量源，从而减小了因损耗源计算而引起的偏差。

(2) 热网络法和有限元法计算损耗时，电阻率是按一个特定温度进行取值的，也就是说，计算过程中损耗不会因温度不同而不同，但实际上温度越高电阻率越大，对应的损耗也会相应增加。而采用耦合方法时，电阻率是会根据温度进行取值的，也就是说体现了温度对材料电阻率也就是对损耗值的影响，是一个相互迭代的过程。因此，耦合方法相对来说具有更高的准确度。

3 结论

针对某汽轮发电机导电杆结构，采用三种方法进行温度计算。其中，热网络法计算速度快，模型简单；有限元法模型相对比较完善，能够得到不同位置的温度大小，计算速度慢；电-热耦合方法相对前两种方法而言，减少了人为的一些假设，并且实现了温度和损耗值之间的互相迭代，且能够根据电流方向进行损耗的计算，相对来说更能准确地模拟导电杆温度情况。可以说，耦合法是今后更为准确地研究问题的重要方法，是精准研究问题的必然趋势。