空心股线堵塞程度对发电机定子线棒温度场的影响

雷一鸣，张 莉

(1.上海电力学院，上海 200090;2.阳江核电有限公司，广东阳江 529500)

大型发电机是发电厂的核心设备之一，所担负的安全责任巨大.目前，发电机存在的主要问题是定子“超温”，这种超温现象随着发电机容量的增大而越来越明显，给发电厂的稳定运行带来较大的安全隐患.

引起定子超温的主要原因是由于发电机定子线棒空心股线的堵塞，导致发电机运行时产生的热量无法被及时带走［1］.而外部引入异物、气堵和汽堵、或铜线的腐蚀产物等都是造成空心股线堵塞的常见原因［2-4］.当发生堵塞情况时，空心股线的冷却水流通面积就会减小，致使冷却水流量下降，定子线棒温度随之升高.当然，空心股线堵塞的程度不同，对定子线棒内温度场分布的影响也会不同.在当前的温度监测技术还无法提供线棒详细温度场分布的情况下［5-9］，采用数值计算的方法分析空心股线的堵塞程度对定子线棒温度场的影响，对于帮助设计、运行人员了解定子线棒内的温度分布状况，从而对发电机的设计制造、在线监测、过热检测和空心股线堵塞的早期诊断都是十分必要的.本文主要讨论单根空心股线不同程度堵塞时对定子线棒温度场分布的影响.

1 定子线棒的物理和传热模型

1.1 定子线棒的物理模型

水内冷汽轮发电机定子线棒是由空心铜导线和实心铜导线组合排列而成，铜导线间通过股间绝缘、排间绝缘和主绝缘达到绝缘目的.在发电机工作时，电流流过铜股线产生损耗，以发热的形式表现出来.与此同时，绝大部分的热损被空心股线中流过的冷却水带走.此外，随着空心股线内冷却水的温度变化，沿着轴线方向上的定子线棒的温度也在变化.

1.2 定子线棒的传热模型

为了便于求解，在建立线棒的传热模型时，作如下假定:

(1)空心股线未堵塞时，冷却水对空心股线的冷却可视为第3类边界条件，但当空心股线因堵塞导致冷却水无法流通时，在空心股线内边界上的第3类边界条件转化成内部区域;

(2)忽略主绝缘边界的散热，假定为绝热边界;

(3)忽略线棒端部的散热，假设线棒的两个轴向端面绝热;

(4)忽略定子线棒股线间的罗贝尔换位;

(5)认为涡流效应对每根股线的影响相同.

结合定子线棒的物理模型，根据传热学知识［10］，当发电机稳定在某一个工况下运行时，定子线棒内温度场的求解问题是一个带内热源、四周绝热、内部包含第3类边界条件的三维稳态导热问题，求解定子线棒三维稳态温度场的数学模型为［10］.

式中:T——定子线棒温度;

λ——不同材质物体的导热系数;˙

φ——铜心股线上的热源强度;

s1——主绝缘的外边界;

s2——空心股线的内边界;

∂T/∂n——沿边界法向的温度变化率.

2 计算对象及计算模型的确定

2.1 计算对象的各项数值

选取某600 MW发电机定子绕组中的1根下层线棒作为研究对象.该定子线棒由16根空心铜导线和32根实心铜导线组成，分为4排，每排又分为4组，每组由1根空心铜导线和2根实心铜导线组成.空心线按4×4排列，尺寸为4.7mm×7.5mm，壁厚1.35mm，实心线按 4 ×8 排列，尺寸为2.24mm ×7.5mm，轴向长度6.3 m.该型号发电机的额定值如表1所示.

表1 某600MW汽轮发电机的额定值

2.2 计算模型中的有关参数

(1)内热源 发电机内的热源包括电机运行时产生的机械损耗、电损耗、磁损耗，以及各种附加损耗等，对其温度分布影响起主要作用的是电损耗.电损耗是由电流流过定子线棒时产生的，即定子线棒的铜损耗.

(2)空心股线内冷却水流量 根据流体力学中的并联管路理论，当空心股线通流正常时，总进水管流入的冷却水总流量在所有空心股线中平均分配.当某根空心股线完全堵塞时，并联的冷却水路数目减少，冷却水流量在剩余未被堵塞的空心股线中平均分配.当某根空心股线部分堵塞时，堵塞的空心股线中的冷却水流量根据堵塞程度会相应减小，其余未被堵塞的空心股线水流量是剩余冷却水流量的平均分配.

(3)表面传热系数 空心股线内冷却水带走热量的传热过程属于管内强制对流换热，其表面传热系数可利用实验关联式计算得出.

(4)冷却水温 由于冷却水随流动不断升温，因此式(1)中的冷却水温沿轴向发生变化.冷却水的入口温度按照设计工况取为42℃，考虑到冷却水温度与线棒铜线温度的耦合，经公式推导可得出轴向局部冷却水温度表达式.

(5)不同介质导热系数 在发电机定子线棒内存在主绝缘、股间绝缘、铜导线和排间绝缘4种介质.大中型高压发电机采用少胶云母带作为主绝缘;股间绝缘的主要成分是薄层玻璃纤维;定子线棒所用铜为2号纯铜;通常用浸渍聚酯树脂的涤纶毡作为排间绝缘，属于F级多胶玻璃粉云母板材料.以上几种介质导热系数都可以通过查询相关图表获得.

3 计算结果与分析

在Ansys软件平台上采用有限元法，对所选取的某600 MW发电机定子绕组下层线棒的整体温度场分布进行数值模拟，分别对空心股线未堵塞和单根空心股线发生部分堵塞等多种情况进行研究.定子线棒三维造型示意如图1所示.对该线棒中空心股线在正视图视角下进行编号，如图2所示.其中，假定发生部分堵塞的空心股线为B2.

图1 定子线棒三维造型

图2 空心股线编号示意

图3为空心股线未堵塞时定子线棒的温度分布.由图3可知，整个线棒的温度沿轴向是不断升高的，实心铜股线密集的区域，温度普遍较高.而空心股线内流通冷却水，提供了良好的散热环境，温度相对较低.

图3 股线未堵塞时定子线棒的温度分布

每个轴向截面并不是等温分布的，不同介质处在不同的温度范围.提取温度场的数值计算结果可知，定子线棒温度的最高值出现在线棒的出口实心铜股线之间的绝缘处，为74.266℃，出水温度为62.853℃，符合该机组发电机定子线圈各槽出口温度及汇水管总出水温度均不大于73℃，发电机定子线圈槽内层间温度不得大于120℃的规定.600 MW汽轮发电机额定负载工况下线棒出水温度约为60℃，与本文计算所得结果基本一致，说明发电机正常稳态时的定子温度模型和计算方法是正确的.

图4给出了B2完全堵塞时定子线棒的温度分布.当B2空心股线发生堵塞时，其局部温度高于其他股线;出口截面存 在线棒的最热点，位置也位于堵塞处附近的绝缘内部，温度甚至高达近100℃.

图4 B2股线完全堵塞时定子线棒的温度分布

对B2空心股线在不同堵塞程度下进行计算和分析，计算中涉及的参数如表2所示.

图5为位于发生部分堵塞的B2空心股线中某点的温度.由图5可以看出，空心股线部分堵塞时，线棒的温度与空心股线的堵塞程度有关，即与空心股线的堵塞系数有关.堵塞系数越大，温度越高.空心股线发生部分堵塞时，冷却水可以在股线内流动，此时仍能发生对流换热，具备一定的冷却能力，因此该股线温度略有升高.一旦完全堵塞，该股线的温度急剧升高20℃，并烧坏相邻绝缘.

表2 B2空心股线部分堵塞时的相关参数

图5 堵塞程度不同时B2空心股线中某点的温度

图6为不同堵塞系数下B2空心股线中最热点的温差.由图6可知，堵塞系数从0.6增大到0.7时，该空心股线的最高温度的增长速率变大.这是由于堵塞空心股线内水的局部阻力系数从87增加到309，导致换热系数减小，空心股线内冷却水的换热能力开始急剧下降.因此，要密切监视各检温计的数值变化，在温升有小幅提高的时候进行重点监控，以防止空心股线的堵塞系数增大到0.7，造成不必要的经济损失.

图7为与发生部分堵塞的空心股线相邻的实心股线的温度变化.

图6 不同堵塞系数下B2中最热点的温差

由图7可知，发生堵塞时，该实心股线温度升高，且温升与堵塞程度有关.当堵塞系数为0.7时，该实心股线温度比正常情况高5℃.通过对其他数据的研究发现，当主绝缘附近的空心股线发生部分堵塞时，其本身温升较高.当空心股线发生部分堵塞时，定子线棒中的水路流通受到影响，管内冷却水流速降低，散热能力下降，迫使内热源产生的部分热量传递给冷却水，以及临近的绝缘材料和实心股线，加速了绝缘的老化，影响了实心股线的温升，严重时还会烧坏绝缘，引发定子线棒短路等故障，甚至危及铁心，造成巨大的经济损失.

图7 B2堵塞程度不同时相邻实心股线的温度分布

图8为不同程度堵塞系数下主绝缘最热点的温差.

图8 不同程度堵塞系数下主绝缘最热点的温差

通过对温度场的数值计算，堵塞系数为0.2时，得到主绝缘的最热点温度为74.012℃;堵塞系数为0.4时，主绝缘最热点温度为72.899℃;堵塞系数为0.7时，主绝缘最热点温度为74.016℃.结合图8分析可知，主绝缘最热点的温度并没有随着堵塞系数的增大而增大，在堵塞系数为0.4，0.5，0.6 时，主绝缘最热点温度反而下降了约1.113℃.分析其原因可知，当空心股线发生不同程度堵塞时，冷却水流量被重新进行分配，未发生堵塞的空心股线内流速略微提高，使水铜的换热系数增大，散热能力提高，主绝缘温度下降.

4 结语

本文建立了发电机定子线棒稳态三维温度场计算模型，以某台600 MW 汽轮发电机的定子下层线棒为研究对象，应用有限元法计算了某一根空心股线发生部分堵塞时的温度场分布，分析了不同堵塞程度对温度场的影响.研究表明，当空心股线发生部分堵塞时，该股线温度与堵塞系数有关，堵塞系数越大，温度越高;堵塞系数有临界值，超过此值时会导致空心股线内冷却水的换热能力急剧下降，造成严重后果;在定子线棒内部并不是所有部位的温度均有提高，由于冷却水流量被重新分配，局部水铜换热系数稍有增大，反而会使线棒内部某些部位的温度较正常时略低.

［1］ 李培元.发电机冷却介质及其监督［M］.北京:中国电力出版社，2008:37-68.

［2］ 彭发荣，彭宏志.水内冷发电机定子水冷却回路堵塞的缺陷处理［J］.宁夏电力，2010(5):40-42.

［3］ 傅自清.大型汽轮发电机并联环和主引线水路故障分析和预防［J］.中国电力，2007，40(8):66-71.

［4］ 孙本达，马智敬.超超临界机组发电机内冷却水运行中存在的问题及处理［J］.热力发电，2009，38(1):96-98.

［5］ 李德基，白亚民.用热路法计算汽轮发电机定子槽部三维温度场［J］.中国电机工程学报，1986，6(6):36-45.

［6］ 许伯强，李和明，朱凌，等.发电机定转子绕组温度在线监测新方法［J］.电力系统自动化，2002，26(1):35-38.

［7］ 李俊卿，李和明.基于状态监测的汽轮发电机定子铁心温度标准值的确定［J］.中国电机工程学报，2004，24(3):156-160.

［8］ 陈勇强，刘开培，何志敏.发电机定子温度在线监测与自动预警系统设计［J］.电力自动化设备，2009，29(1):111-114.

［9］ 刘振兴，尹项根，张哲，等.300 MW 汽轮发电机定子绕组温度在线监测与故障诊断［J］.电力系统自动化，2002，26(5):1-4.

［10］ 杨世明，陶文铨.传热学［M］.北京:高等教育出版社，1988:25-28.