大型汽輪發電機轉子全電流試驗磁場分析

童旭松，宋德強，胡 剛

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大型汽輪發電機轉子全電流試驗磁場分析

童旭松1，宋德強2，胡 剛1

（1. 哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040；2. 黑龍江牡丹江抽水蓄能有限公司，黑龍江 牡丹江 157000）

新設計的大型汽輪發電機在出廠前，必須要進行型式試驗，其中很重要的一項就是轉子全電流溫升試驗，了解轉子繞組在額定勵磁電流下的溫度分布情況，保證設計的可靠性。本文采用二維有限元法對大型汽輪發電機轉子全電流試驗進行電磁場仿真，分析氣隙磁場、鐵心發熱及定子電壓情況，表明通過將部分轉子繞組反接可有效抵消轉子磁場，減小電機端電壓及定子鐵心損耗，為電機試驗提供理論支撐。

汽輪發電機；全電流；有限元；磁場

0 前言

隨著空冷汽輪發電機容量的增大，轉子發熱問題也越來越引起關注，國內外對此進行了很多研究，其中有用熱網絡法[1-3]，也有用電磁場、溫度場耦合仿真[4-7]。但對于制造廠來講，還需要進行試驗驗證，以驗證設計正確性，保證產品的可靠性。通常采用的手段就是在制造廠內進行轉子全電流溫升試驗，研究轉子繞組在通過額定勵磁電流(甚至過電流)時的轉子繞組溫度分布。

發電機在出廠前一般只進行空載試驗和穩態短路試驗。這時，轉子電流達不到額定值，用該電流下的試驗值來推算轉子在額定勵磁電流下的溫升(尤其是局部溫升)，往往會有一定的誤差。如果不采取措施，轉子繞組上施加額定勵磁電流時，定子電壓和定子鐵心損耗將遠超設計限制，給機組帶來危害。對于小容量機組，我們還可以采用電抗器負載或直接負載(發電反饋電網)的方法來使轉子電流達到額定值[8, 9]。而對于容量越來越大的大型汽輪發電機來說，上述方法基本是無法實現的。

由于試驗只考慮轉子繞組通過額定勵磁電流引起的歐姆損耗，一個比較經濟的辦法是利用汽輪發電機轉子線圈為同心式的特點，將部分轉子繞組反接，抵消部分轉子磁勢，從而減弱氣隙磁場，然后進行全電流溫升試驗。此時，即使轉子電流達到額定值，定子也不會出現過電壓(空載)或過電流(短路)情況，而轉子繞組的損耗和發熱卻達到了發電機滿負荷狀態的水平[1]。

實際上，這種反接并不能安全抵消轉子磁勢。對于轉子每極為奇數槽的情況更是如此。因此有必要分析反接后電機的磁場、鐵損、電壓等。本文采用二維時步有限元法，對轉子反接后的磁場、鐵心損耗和定子端電壓進行分析，預判試驗過程。

1 反接試驗及計算方法

1.1 反接方法

本文以一臺350MW的汽輪發電機為例，計算反接后的磁場及電壓。該電機轉子每極9個線圈，如圖1所示，所以轉子磁場不可能完全抵消。根據轉子繞組結構，將轉子每極線圈分為兩組，1組為1、4、5、8、9號線圈，另一組為2、3、6、7號線圈，兩組線圈電流方向相反，每極編號相同的線圈電流方向相同。

圖1 轉子線圈編號

1.2 仿真模型

本文采用場路耦合的瞬態二維有限元數值計算方法進行電機磁場分析[10-12]，建立電機的二維有限元模型，如圖2所示。

圖2 二維磁場有限元求解區域

二維瞬態電磁場數學模型如下：

其中，為磁阻率；為電導率；為源電流密度。

建立相應的電路模型，如圖3所示，BA、BB、BC為定子三相繞組。因為試驗時電機空載，故定子三相繞組開路，電壓表UAB、UBC、UCA分別用以測量三相電壓，BR1~BR9為繞組線圈，按前述的反接規律接線，U為勵磁電壓源。

2 仿真結果分析

本文用如上所述有限元法對轉子繞組反接后的電機二維磁場進行了計算，分別從反接后的氣隙磁場、損耗以及定子端電壓等三個方面進行分析，并與空載工況進行了對比。

2.1 電機磁場

圖4為反接轉子后，轉子通以額定電流時電機的磁場分布。可以看出，由于轉子每極槽數為奇數，轉子勵磁磁勢不能完全抵消，還有部分磁場進入，但定子磁密最大僅為0.82T，較額定電壓時磁密小很多，定子鐵心處于不飽和狀態。而由于轉子磁勢相互抵消的緣故，在轉子小齒上的磁密比較高，處于飽和狀態。

圖5為電機氣隙徑向磁場分布和其諧波分析結果。可以看出，氣隙磁密中含有很多高次諧波，3次和5次波占到了基波的17%，而7次、11次和13次占到了基波的12%。

圖5 反接試驗時氣隙磁密

將反接后的各次諧波與空載額定電壓時的氣隙諧波進行對比，見表1。可以看出，與空載相比，雖然基波磁場下降接近三分之一，但各高次諧波均有不同程度的增加。

表1 氣隙磁密諧波分析 T

2.2 定子鐵心損耗分析

定子鐵心損耗在電機中比例很大，直接影響鐵心的溫升。本文采用Bertotti提出的鐵心損耗分離模型[13-15]，用以計算交變磁場作用下的鐵心損耗，如式(2)所示，可以看出，鐵心損耗與磁場的交變頻率有直接關系，由于反接后除基波外各次諧波均有不同程度的增加，有可能引起較大的鐵損，需要對其進行分析。

式中，和分別為硅鋼片的磁滯損耗系數和渦損耗系數。

在磁場分析的基礎上，應用上述公式對定子鐵心損耗進行分析，平均鐵心損耗分布如圖6所示。從圖上可以看出，鐵損除集中在齒頭位置，在齒根也較大。反接后定子鐵心損耗為100.3kW，而正常空載情況下鐵心損耗為474.6kW，遠遠小于額定情況，故不會引起鐵心過熱。

圖6 定子鐵損分布

2.3 定子端電壓分析

仿真全電流反接試驗時，在轉子電路模型中通入電機額定勵磁電流，轉子以額定速度旋轉，仿真得定子電壓波形如圖7所示，諧波分析如表2所示。與額定空載相比，基波電壓有效值為7000V，接近額定電壓的三分之一。之所以定子機端還有這么高的電壓，除了通入的勵磁電流比較大以外，還因為轉子每極槽數為奇數，轉子勵磁磁勢并沒有完全抵消，而且整個電機鐵心的飽和程度也比較低。從表2還可以看出，反接后電壓高次諧波比空載時大，這與前面氣隙磁密分析結果也是一致的。

圖7 線電壓波形

表2 端電壓諧波分析 V

3 結論

本文采用場路耦合的時步有限元法對電機反接試驗的電磁場進行了仿真，獲得了反接工況下的磁場分布及端電壓情況，并與空載額定電壓時的磁場進行了對比。分析表明通過將轉子繞組部分反接可以有效地抵消轉子磁場，減小電機端電壓及定子鐵心發熱。

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The Magnetic Filed Analysis of Full Rotor Current Test for Large Turbo-generator

TONG Xusong1, SONG Deqiang2, HU Gang1

(1. Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China; 2. Heilongjiang Mudanjiang Pumped Storage Co., Ltd., Mudanjiang 157000, China)

The type test for a new design of large turbo-generator must be carried out in the factory. The temperature rise test with full rotor current is very important to check the temperature distribution of rotor winding, which ensures the reliability of the design. In this paper the generator’s electromagnetic field in the test is simulated by 2D FEM. The magnetic field of air gap, the iron loss of stator and the terminal voltage is analyzed. The results show that reversing some rotor coils can effectively reduce the rotor field, terminal voltage and iron loss, which provide theoretical supports for the test.

turbo-generator; full rotor current; finite element; magnetic field

TM311

A

1000-3983(2018)01-0044-04

2017-08-06

童旭松（1972-），2005年畢業于哈爾濱理工大學，工程碩士，主要從事大型電機技術研究，高級工程師。