水電站水輪發電機端部渦流損耗計算研究綜述

楊 平,周 令

（中國水利水電第七工程局有限公司拉拉山水電站機電安裝項目經理部，四川 甘孜州 627650）

1 前言

建國以來,尤其是改革開放以來,我國的水電事業取得了輝煌的成就。水電裝機容量已突破1億千瓦,按照我國未來水電開發目標,到2015年水電裝機容量要到達1.5億kW,占全國電力總裝機容量的比重由目前的24%提高到28%。在國家的“西部大開發”戰略中,電力工業的首要任務是積極開發西部的水電資源,實現“西電東送”水電建設將進入長達10年的黃金發展期,重點發展50萬kW以上大型混流式水輪發電機組和30萬kW級抽水蓄能機組。目前,我國已建成的大中型水電廠有150多座,計劃和正在建設的大型和特大型水電廠20多座,其中到2010年全部投產的三峽水電站裝機容量為18200 Mw,是當今世界裝機容量最大的水電站。大中型水輪發電機組的不斷投產,使得大型水輪發電機組在整個電網中的比重越來越大,單機容量增加,年平均發電時間延長,檢修時間縮短,事故停機造成的經濟損失極為嚴重。

在開發水電的過程中，水輪發電機是作為一個大規模發電系統的樞紐，它能否安全有地運行，是整個開發過程的一個關鍵因素，因此，對水輪發電機的運行狀態進行深入的理論研究有著非常重要的實際意義和工程價值。

大型水輪發電機的制造在很大的程度上反映了一個國家大型裝備的制造水平，也能夠體現出一個國家的科技地位。水輪發電機的基本結構十分復雜，再加上運行過程中又有很多不確定因素，因此，對水輪發電機的研究也是一個很復雜的課題。隨著發電機單機容量的不斷提升，電磁負荷就要隨之提高，這樣發電機運行過程中端部漏磁場產生的作用也就逐漸的顯現出來了。發電機端區構件形狀復雜，材質多樣，結構件中的渦流必定產生一定的損耗，同時，發電機也會出現局部過熱的情況，這就直接影響到發電機的使用壽命。

隨著水輪發電機的容量的不斷增加，發電機端部區域的磁密相應提高，端部結構件中的渦流損耗也隨之增加。這樣，不僅降低了電機的效率、造成局部過熱，還影響到發電機運行的可靠性。發電機端部區域磁場的增強，還使得發電機在故障運行時的電磁力和振幅相應增大，造成絕緣線圈的快速磨損，這是近幾年來大型水輪發電機故障燒毀的主要原因之一。因此水輪發電機端部區域的渦流損耗研究，對水輪發電機的運行設計具有重要的意義。

2 水輪發電機端部渦流損耗計算研究現狀

發電機端部結構件中的渦流損耗隨著發電機單機容量的增大也在相應的提高，由于損耗出現的不均勻，將在發電機端部出現了局部過熱的現象。端部區域損耗增大、局部過熱，將是危及發電機可靠運行的重要因素之一。為了防止電機出現局部過熱現象，應從源頭上改善電機端部結構，減少端部漏磁，降低端部結構件中的渦流損耗。對發電機端部渦流場計算的準確性將直接決定端部渦流損耗和溫度場計算的準確性。

2.1 發電機端部渦流場的主要計算方法

發電機端部渦流場的主要計算方法包含解析計算法和數值計算法。

（1）解析計算法。解析法計算渦流場在電機端部渦流場求解的前期應用較為廣泛，它能夠直接顯示出來需要觀察的物理量，方便直接定性分析時使用。但是使用這種方法之前，一定要對分析模型適當的簡化，因此該法由于大量的簡化而使準確性降低。J.A.Tegopoulos使用了發電機端部準三維渦流場計算中常常提到的“等效電流層”和“氣隙回轉電流”的概念，并且利用傅里葉級數完成了含有氣隙效應的端部準三維電磁場求解。到20世紀70年代時，現代計算機技術得到了飛速的發展，于是突破了傳統的限制，新興的數值計算法得到了很好的發展。但由于發電機端部結構復雜，端部結構件材料的特性在物理場計算時也很多變，導致了發電機端部渦流場準確計算仍然具有很大的難題。

（2）數值計算法。渦流場的數值計算方法主要包含兩種：A法和T法。A法，就是在導電區域內除了設置矢量磁位A外，還要加上標量電位φ，而在非導體區只有矢量磁位A，因此也將該法稱為矢量磁位與標量電位法（A-φ法）。該種方法計算區域內的各邊界面滿足自然邊界條件，但待求的未知數較多。T法，在導體區內用矢量電位T和Ω標量磁位Ω，而在非導體區只用標量磁位Ω，該種方法也叫矢量電位與標量磁位法(T-Ω)。此種法未知數少，但方程離散時需要特殊處理，并且利用 ICCG法迭代求解時收斂速度較慢。對三維渦流場計算時，用A法還是T法可根據具體實際情況選擇。由于發電機端部結構復雜，隨著電機容量的增加，結構尺寸也隨之增加，這樣對發電機端部渦流場建立全三維實體模型難度很大。

2.2 發電機端部渦流損耗計算國內外研究進展

（1）國外研究進展。從上世紀70年代，國外專家就對發電機端部渦流損耗計算進行了研究，并取得了一定的成果。1980年，K.Ito等人在文獻中，假設鐵心磁導率μ=∞的前提下，使用行波場有限元法對在空載、短路兩種工況下發電機端部區域磁場進行了分析，得出了發電機端部磁屏蔽、定轉子端部鐵心的磁場分布。

1981年，J.Weise等人利用三維有限元法對汽輪發電機端部三維靜磁場進行了分析計算，首次提出了在電流區域采用矢量磁位A為求解變量，在無電流區域采用標量磁位Ω為求解變量的計算方法（即所謂的=A-Ω法），將磁場強度H分為由電流區矢量磁位A表示的HA和由非電流區標量磁位Ω表示的 HΩ，大大減小了計算量。

1990年，G.K.M.Khan等人中建立了發電機端部的準三維模型，應用積分方程法對一臺容量為 600 MW汽輪發電機端部渦流場進行了計算，并將計算結果與實測數據進行了對比，對汽輪發電機端部渦流場計算具有較大的參考價值。

（2）國內研究進展。國內的專家學者對于電機端部場也開展了很多研究工作，1964年陳丕璋教授建立了發電機鐵心端面和定子端部繞組的展開部分相平行的模型，同時假定發電機定、轉子繞組直線伸出端部分的電流作用可以相互抵消，結果成功地得到了端部場的簡化解析表達式，該論文的研究表征我國開始了對發電機端部電磁場問題的研究。

從20世紀80年代以來，國內學者認識到有限元法對電機端部電磁場求解有很大的幫助，并且進行了相關的研究工作。在使用的模型中全面考慮定子槽和通風溝的影響后，引入了等效磁導率的概念，并對討論了影響汽輪發電機端部磁場的主要因素，為汽輪發電機的結構設計與優化提出了可靠依據。文獻[7]中建立了包括定子鐵心邊段在內的水輪發電機端部渦流場有限元分析模型，在模型中定子鐵心采用疊片結構和將鐵心選為各向異性材料進行分析，又增加了處理邊界條件的一些新方法。

3 結語

電機渦流損耗的計算是大型發電機設計的重要內容之一，不僅關系到發電機的安全可靠運行，而且直接關系到發電機的使用壽命，因此，進一步加大對水輪發電機端部渦流損耗計算研究意義重大。雖然國內外專家學者對水輪發電機端部渦流損耗計算已進行了一些研究，取得了一定成果，但是隨著發電機裝機容量的不斷增加，對發電機端部結構件渦流損耗問題還有待于進一步深入研究，為大型水輪發電機內部物理場的進一步分析提供依據。

[1]陳丕璋，孫樹勤，俞天音．定子端部繞組與壓板平行的汽輪發電機在短路時端部壓板的電磁場與渦流損耗[J]．清華大學學報，1964，11(3)：47-57．

[2]陳偉華．空載、三相短路和進相運行時汽輪發電機的端部磁場[J]．哈爾濱電工學院學報，1987，10(1)：17-25．

[3]李書芳，姚若萍，高景德．水輪發電機端部各向異性渦流場分析的數學模型[J]．清華大學學報(自然科學版)，1997，37(10)：95-98．