QFSN型800MW級兩極汽輪發電機穩態負序能力分析

劉明慧,咸哲龍,趙繼敏

(1.上海交通大學,上海 200240;2.上海電氣電站設備有限公司上海發電機廠,上海 200240)

1 前言

大型汽輪發電機轉子負序溫升和負序能力計算是汽輪發電機設計必須考慮的主要內容之一,它直接關系到汽輪發電機組的運行性能和安全穩定性。因此,準確的負序溫升和負序能力計算不僅是制造廠追求的目標,同時也是電機運行部門關注的重要問題之一。

暫態負序能力是發電機在額定方式下發生不對稱故障時所能承受的短時負序電流的能力,這一負序電流在定子內出現負序旋轉磁通,以同步速度與轉子相反方向旋轉,在勵磁繞組、阻尼繞組及轉子本體中感應出兩倍工頻的電流,從而引起這些部位的附加損耗而發熱。由于產生的兩倍工頻感應電流頻率較高,集膚效應較大,不容易穿入轉子深處(因深處感抗較大),只集中在轉子表面,感應電流流過轉子槽楔,阻尼槽楔及槽楔連接處,而這些地方電阻較高,發熱尤為嚴重,可能出現局部高溫,破壞轉子繞組絕緣。

本文所研究的發電機為 QFSN型 800MW級水氫氫發電機,該發電機轉子大齒上每極開有 4個阻尼槽,槽內放置高導電率、高強度的含銀銅槽楔,可使發電機在不平衡負載時減少在橫向槽邊緣處的阻尼電流和由此引起的在尖角處的溫度急劇升高,有效地提高了發電機承受負序的能力。整個軸向大齒上還開有等間距的月牙槽,以平衡轉子撓度,減少雙頻振動。轉子共開有 32個槽,槽楔材料為鋁合金或銅合金。本文采用三維繪圖軟件 So1idWorks繪制發電機負序渦流場模型,導入至有限元分析軟件Ansys中進行計算分析。

2 數值計算模型

2.1 發電機物理計算模型的基本假定

本文采用的物理模型,考慮了發電機定子鐵心、定子繞組、轉子鐵心、轉子繞組、轉子槽楔、阻尼槽楔及月牙槽。

圖1 800W水氫氫發電機渦流分析模型

根據有限元分析并在滿足工程需要的前提下,可以對物理模型作一些簡化和假設:

(1)忽略定子線圈中的渦流;

(2)轉子繞組采用氫內冷技術,轉子繞組中的負序發熱基本上被冷卻介質帶走,轉子繞組的溫度為恒定值,故忽略轉子線圈中的渦流;

(3)激勵源與各場量均按正弦規律變化,忽略諧波分量;

(4)忽略位移電流;

(5)材料的電磁性質呈線性、各向同性特征。

2.2 三維負序渦流場數值計算的有限元模型

2.2.1 計算區域

在發電機的周向,取整個圓周作為計算區域;在發電機的徑向方向,取定、轉子槽底開始,向外延伸20mm區域;在發電機的軸向,從轉子上截取連續的一段,包含一個完整的月牙槽、兩部分半個非開槽部分區域。

2.2.2 邊界條件

由于模型的對稱性,在模型外表面,包括定子鐵心內徑(氣隙外徑)處、轉子本體內徑處、整個模型前后端面磁場的垂直分量為零;計算區域周向的兩個端面,滿足半周期邊界條件。

圖2 800MW水氫氫發電機渦流場邊界

2.2.3 負序電流處理

按給定負序電流的實際值,確定每相繞組電流的大小和相位(見圖 3),再根據定子繞組的實際分布規律,確定每個定子槽的負序電流密度。

考慮到計算結果處理與實際計算中加載的方便,在計算過程,定子線圈內的上下層繞組用一個單獨等效線圈來模擬。為保證等效后定子負序電流產生的磁場不變,模擬線圈中的電流值為原來上、下層繞組電流的矢量疊加。

圖3 施加的負序電流分布

2.3 發電機負序溫度場計算的有限元模型

2.3.1 計算區域

為提高計算效率,負序溫度場的計算模型同渦流場模型相同。

在耦合計算的熱分析中,該模型的定子與氣隙在計算迭代過程中為非計算區域。

2.3.2 邊界條件

轉子繞組表面溫度、轉子槽楔及阻尼槽楔表面溫度為恒定值,為第一類邊界條件。轉子表面(包括月牙槽表面)及軸向端面為對流換熱(第三類)邊界條件;其他面,如轉子繞組內表面及轉子繞組與槽楔接觸面為絕熱邊界條件(第二類奇次邊界條件)見圖 4。

2.3.3 熱源的處理

由定子側負序電流引起的實心轉子內的負序渦流損耗(熱源),直接應用前述三維渦流場的數值計算結果,計算出相應各點的平均負序熱源密度后,作為點源直接耦合到三維溫度場數值計算模型中。

同時,考慮到負序溫升是在電機正在運行溫升基礎上負序損耗引起的各點溫度變化,因此,在熱源處理時,本文既考慮負序損耗,又考慮發電機(轉子)正常的銅耗。

3 穩態負序運行能力的計算與分析

在進行穩態負序運行能力計算時,負序電流的有效值取發電機額定電流的 8%和 10%。在分析過程中,本文還分別取了轉子槽楔材料為鋁合金和銅合金兩種不同的材質。在該負序電流作用下,當轉子槽楔材料為鋁合金材質時,應用 ANSYS商用軟件計算得出的發電機中的磁通分布見圖 3,發電機轉子中渦流的分布見圖 7。

圖6 模型中算得的發電機中的磁通分布

圖7 模型中算得的發電機轉子中的渦流分布

以上計算結果可以看出,在月牙槽附近,電流方向發生明顯變化,擠流效應非常明顯。同時當矢量磁位的最大值大致在大齒的中間位置時,相同負序電流引起的渦流被擠壓的現象最為明顯。

(2)轉子渦流損耗及最高溫度

不同負序電流下,采用不同轉子槽楔材質時的發電機渦流損耗及轉子本體最高溫度,見表 1。

表1 發電機渦流損耗及轉子最高溫度

從上表可以看出:采用鋁合金及銅合金兩種材質的轉子槽楔,在相同負序電流下,轉子最高溫升相同,在無阻尼槽楔設計時,轉子最高溫升比有阻尼槽楔設計時大 12K。

4 結語

(1)本文采用三維有限元方法對 800MW級負序能力進行了研究,結果表明具有高導電率轉子槽楔和阻尼槽楔的轉子結構,能夠保證良好的穩態負序能力;

(2)本文對不同轉子槽楔材料(鋁合金及銅合金)時的穩態負序能力進行了研究,結果表明兩種材質對發電機轉子溫升影響不大;

(3)本文對轉子阻尼結構對穩態負序能力的影響進行了研究,結果表明,在相同的負序電流下,無此阻尼結構設計時的轉子表面最高溫升比有此阻尼結構時大很多。

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