基于热网络法的水轮发电机定子换位线棒温度场计算与分析

发布时间：2020-03-28 05:20

【摘要】：随着发电机单机容量的增大,其有效材料的利用率和电机的效率均将提高,然而温度是限制发电机单机容量增加的重要因素,因此准确的计算分析电机内温度场的分布对温度监测,预测电机寿命以及提高发电机容量至关重要。电机设计过程中定子线棒常采用换位技术来降低股线间的环流损耗以达到降低温度的目的。定子换位线棒结构复杂,采用数值法计算温度场时网格剖分难度大,计算周期长。本文提出一种能够考虑定子线棒实际换位结构的热网络法计算定子温度场,以一台250MW水轮发电机为例,计算了定子换位线棒的温度场分布情况。根据250MW水轮发电机定子换位线棒结构特点建立了能够考虑股线实际换位结构的热网络模型,并给出了求解定子换位线棒热网络模型的网络节点温度方程组矩阵形式。应用有限体积法计算了定子通风沟内流体的分布规律,依据经验公式,得到各散热表面的散热系数,分别采用解析法和有限元法计算了求解域内不同类型节点之间的径向、周向及轴向热导;应用三维有限元方法计算了考虑股线实际换位结构的定子线棒损耗。根据计算得到的热网络参数,计算分析了不考虑定子线棒换位结构和考虑360°全换位结构的定子温度场,给出了求解域内定子各部分的温度最大值和最小值,对比分析了两种情况下节点温度沿径向和轴向的分布规律,将360°全换位方式的定子换位线棒温度场计算结果与数值法计算结果和实测值进行了对比验证。研究了定子槽内上下层线棒电流相位及定子线棒换位方式对定子换位线棒温度场的影响。计算了异相槽、空换位方式和不足360°换位方式的定子换位线棒温度场,并与360°全换位方式的定子换位线棒温度场进行比较分析。
【图文】：

股线,定子线棒,槽部

部股线不进行换位处理，通过其他方法抑制端部不换位而造成的环流损耗，其中一种为在槽部不同位置添加空换位段[24, 25]，西安交通大学的学者已经进行了相关的理论研究，在 360o全换位方式的基础上在槽部设置一个或多个空换位段。国内另一种常被采用的换位方案是不足 360o换位。不足换位即是指在槽部直线段内，股线扭转的角度小于 360o，因此称为不足 360°换位。针对此种换位方式清华大学曾进行过相关研究，并将研究成果应用在新安江水电厂的真机上进行了试验[26]。除此之外，还有一种换位方式将端部股线的直线段也进行换位处理，即槽部的 360o换位的股线换位范围延长至端部股线的直线部分，这种方法称为延长换位，，新安江水电厂曾对延长换位进行过研究，并在真机上进行试验[27]。空换位、不足换位、延长换位三者的原理类似，都是依靠槽部漏磁场感应的不平衡电势来抵消端部漏磁通所感应的不平衡电势。如果不足换位的换位角度或者延长换位的长度选择恰当，可以有效的抑制定子换位线棒环流损耗。西安交大提出了一种端部连接方式，即在线棒端连接处进行 R、T 连接，以达到降低环流损耗的目的，这种端部连接形式可以通用于 0o/360o/0o以及 0o/540o/0o换位方式的定子线棒中[28]。大型交流发电机中定子线棒及其股线换位结构如图 1-1 所示。

模型图,热网络,轮毂电机,模型

却结构下电机的温度场分布情况，并对相关影响因素进行了分析[41]。2015 年东南大学张建忠利用等效热网络法研究了定频双转子永磁风力发电机的温度场，利用实验测试验证了计算结果的准确性[42]。王晓远等人建立了轮毂电机的等效热网络模型和 3D 有限元模型，热网络模型如图 1-2 所示，利用等效热网络法和有限元法计算了轮毂电机额定工况下稳态温度场，并与实验结果对比验证了求解方法的有效性[43]。天津大学的李斌等人研究了采用轴向通风冷却方式的永磁同步电机温度场，建立了轴向冷却气体的数学模型，并与电机的热网络模型相结合，最后利用有限元法对结果进行了验证[44]。目前，在分析交流电机温度场的方法中数值法计算温度场周期时间长，对计算机要求高，且对于复杂结构的换位线棒剖分难度大；热网络法只是对单个铁心段或没有考虑线棒换位结构的定子进行温度场计算，缺少整个轴向方向上换位线棒的温度分析。
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM312

【参考文献】