大型水轮发电机定子汇流环的结构布局及其影响浅析

贾敬礼，覃国茂

（向家坝水力发电厂，四川 宜宾 644612）

1 引言

随着机组单机容量的不断增大，发电机定子汇流环的结构以及布置方式也出现了多种形式，不同结构和布局的汇流环设计势必会对汇流环自身的受力和发热产生不同的影响。本文针对三峡电厂和向家坝电厂几种典型机型的汇流环结构，从受力和发热这两个角度做简单的分析介绍。

2 发电机汇流环的结构设计和布局对汇流环的影响关系

2.1 发电机汇流环的结构设计和布局对汇流环受力的影响

发电机在正常运行过程中，由于汇流环通常为整圆布置，在发电机圆周任意截面上，同时存在多根汇流环。汇流环中存在有正弦交流电，因此任一位置汇流环所处的磁场都是由其他相邻汇流环交变电流产生的磁场以及定子绕组杂散磁场构成的一个合成磁场，这样机组在正常运行的情况下，流过交流电的汇流环就会在合成磁场的作用下，受到电磁力的作用。

同样当与发电机相连接的电力系统设备（包括出口母线、变压器和高压输电系统）发生故障，或者发电机内部出现绝缘故障产生突然短路时，定子绕组以及汇流环中会出现很大的冲击电流，其峰值可能达到额定电流的几十倍，会在汇流环内产生很大的电磁冲击力。因此，不同的汇流环结构和布局必定会对各个位置发电机汇流环的受力情况产生不同的影响。

2.2 发电机汇流环的结构设计和布局对汇流环发热的影响

发电机无论是在正常运行过程中，还是在故障状况下，汇流环都会有一定的损耗，从而引起铜环发热。再加之有集肤效应和邻近效应的存在，汇流环的布局又会对不同位置汇流环中的电流密度产生不同影响；另外对于全空冷水轮发电机组而言，汇流环的冷却主要依靠无风扇磁轭通风系统（全空冷）来实现（如图1所示），因此，不同的汇流环布置也势必对发电机汇流环的冷却效果产生不同的影响。

图1 发电机无风扇磁轭通风冷却系统

3 发电机不同状况下的汇流环受力以及发热计算

为了能够更加清楚的掌握不同状况下，不同汇流环结构设计的发电机其汇流环的受力和发热情况，发电机在设计过程中需要对汇流环进行量化的计算，下面就具体的计算方法做简单的介绍。

汇流环的布局不同，其每一根铜环所受到的电磁力的大小和方向均不同，对汇流环受力的计算，通常采用有限元数值方法进行计算分析。由于汇流环布置复杂，若对每一种布置、每一根铜环都分别进行有限元计算，工作量十分庞大，很难实现。为了简化计算而不影响计算结果，通常先利用解析的方法对每种布置情况的每根铜环受力进行计算，以确定受力最大的单根铜环及其受力点位置，再通过有限元的方法就能够准确的计算出该铜环所受的最大电磁力。

对于汇流环的发热计算，主要取决于导体损耗、导体外形尺寸、集肤效应和邻近效应系数，风速等诸多因素。在水轮发电机组以及其它大电流设备中，引出线往往采用多根导线平行排列，每根导线截面中的电流密度分布不仅由于其本身电流的作用会出现不均匀现象，同时还会因在邻近空间有其它导线存在以及其中的电流作用而进一步改变其分布。前者由于本身电流而引起的电流密度分布不均匀现象，称为集肤效应，后者称为邻近效应。在水轮发电机组汇流环发热计算中，常用集肤效应系数和邻近效应系数来计及上述两种效应所引起的损耗的增加。一般情况下汇流环中最大的集肤效应和邻近效应系数经常发现是在汇流环较多的轴向中间位置，再通过采用局部热网络计算方法，从而获得汇流环表面热负荷和汇流环铜温升。

检查者位于婴儿左侧，手法必须温柔，左手置于右肋缘下腹直肌外缘处，以食指和无名指按压腹直肌，用中指指端轻轻向深部按摸，可触到橄榄形、光滑质硬的幽门肿块，1～2cm大小。在呕吐之后胃空虚且腹肌暂时松弛时易于扪及。偶尔肝脏的尾叶或右肾被误诊为幽门肿块。但在腹肌不松弛或胃扩张时可能扪不到，可等胃排空后，边喂糖水边检查。

4 几种典型机型的铜环受力以及发热的计算情况

4.1 受力计算

4.1.1 向家坝HEC（哈电）机组铜环受力计算

向家坝HEC机组发电机定子绕组采用每相8支路并联的方式，三相Y连接，汇流环主要采用每层三环，总计8层的汇流铜管布置方式，如图2：

图2 向家坝HEC发电机定子汇流铜环的布置方式

根据汇流环受力的计算方法，其计算结果如表1所示：

表1 向家坝HEC机组铜环受力统计表

从表1中的计算结果中我们可以看到，汇流环受力最大的位置位于图2中31截面，即位于发电机主引线汇流环比较密集的地带，且在机组发生180°误同期的工况下该处铜环受到的电磁力最大，最大为12 360 N/m。

4.1.2 三峡地下电站DEC（东电）机组铜环受力计算

三峡地下电站DEC机组发电机定子绕组采用每相5支路并联的方式，三相Y连接，汇流环主要采用每层一环，总计8层（主引出线位置有10层）的汇流环布置方式，如下图3：

图3 三峡地下电站DEC发电机定子汇流环布置方式

根据发电机引出线的空间布置，同样取引出线较为集中截面，建立有限元模型，再根据引出线的不同相位进行电流的加载，直接得到不同引出线的总损耗。根据不同短路故障的电流峰值，采用解析法对汇流环受力进行分析计算，其计算结果如表2所示：

表2 三峡地下电站DEC机组短路故障下单位长度铜环受力（N/m，最大容量方案）

4.2 铜环发热计算

4.2.1 三峡地下电站DEC机组汇流环温升计算

三峡地下电站DEC机组汇流环温度分布见图4，空气流动矢量见图5，从图4、图5中我们可以清楚的看到，不同位置铜环的温度分布以及在机组运行情况下，冷却空气通过汇流环的一个流动矢量图。由于汇流环上部的通风效果比较好，冷却空气带走的热量比较多，因此汇流环上部的温度较低。反之汇流环下部通风效果差，其温度就大大升高了。

图4 铜环温度分布图

图5 空气流动矢量图

因此需要对汇流环布局比较密集且通风不畅位置，进行具体的温度计算，其计算结果如表3所示：

从计算结果看，汇流环最高铜温为109℃，绝缘表面平均温度为87℃，温升47 K，均出现在汇流环布局比较密集且通风不畅的最下层铜环上。

4.2.2 向家坝HEC机组汇流环温升计算

向家坝HEC机组发电机定子汇流环布置见图1，通过先计算出集肤效应系数和邻扰效应系数这两个系数，然后在这两个系数的基础上即可求出铜环的交流电密，交流电阻，从而获得铜环表面热负荷和铜环铜温升，最终计算获得向家坝水轮发电机定子铜环铜温度为95.11℃。

4.2.3 向家坝TAH机组汇流环温升计算

向家坝TAH机组发电机定子绕组采用每相7支路并联的方式，三相Y连接，汇流铜环主要采用每层2环，总计7层（主引出线位置有8层）的汇流环布置方式，如图6所示：

图6 向家坝TAH机组汇流环布置及磁场和相别分布

通过有限元法计算出机组最大的集肤效应和邻近效应系数在截面3的导体V2上(见图6、7).铜环引线的温升计算是采用局部热网络计算方法。导体处切向的热流忽略不计。计算结果取决于导体损耗、导体外形尺寸、肌肤效应和邻近效应系数（有限元计算）、风速。铜环处的风速主要取决于上端转子支架进风口大小。

图7 向家坝TAH机组汇流环布置图

计算结果如表4所示：

表4 向家坝TAH机组汇流环发热计算结果

通过计算可以得出,导体温度主要取决于通过铜环引线的径向风速。向家坝机组的径向风速受限于转子支架进风口的风阻。只有当上端和下端路径之间出现不均匀的流量分布时（NDE侧风量为200 m3/s），铜环引线才会有好的冷却效果。

5 结语

通过上述对三峡地下电站DEC、HEC机组以及向家坝电站TAH和HEC机组发电机汇流环的受力和发热计算结果进行分析，我们可以清楚的看到，不同的汇流环布置对发电机汇流环的受力和发热有重要的影响，具体可以总结为以下几点：

（1）在汇流环布置比较密集的区域，其铜环本身的受力和发热要远大于发电机其他区域布置的汇流环。

（2）在汇流环布置比较密集且通风不畅的区域发电机汇流环的散热效果不好，也会导致汇流环温度过高的现象。

鉴于此种情况，三峡地下电厂HEC机组已分别在通风不畅的发电机出口位置以及汇流环布置比较密集的多个地方布置了光纤测温装置，通过实时的监测来关注汇流环的发热。另外为了能够减少铜环由于热胀冷缩以及电磁应力过大而影响机组的正常运行，在向家坝TAH机组发电机汇流环上，采用了能够缓解汇流环受力的柔性连接。通过对发电机汇流环的发热以及受力问题进行研究分析，可以更好的了解发电机汇流环的一些潜在的安全隐患，从而从根本上消除了这些安全隐患，为大型发电机组的安全可靠运行提供了有力的保障。

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