水轮发电机温升计算研究

靳永卫

（浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江 台州 317300）

水轮发电机的运行是一个包含着电磁场、流体场、温度场和应力场等多种物理场的复杂过程，而且这些物理场之间相互影响、相互制约。通常情况下，设计人员通过较为合理的设计，使得各物理量间达到一种平衡状态，从而电机可以正常运行。然而水轮发电机运行的可靠性是对其正常运行的重要考核指标，发电机的可靠性又主要体现在运行过程中的温升问题，也就是内部温度场的分布问题。其分布的不合理，会产生诸多的问题，如温升过高，会导致绝缘的损坏，包括绝缘的分层、脱壳、老化等，从而使绝缘的电气性能下降这些问题在水轮发电机运行时不易发现，但是最终会引发电机内部的各种放电、短路故障，造成水轮发电机结构上的损坏，最终导致水轮发电机的故障，直接影响电站的可靠、经济运行。

随着水轮发电机单机容量的不断增加，水轮发电机热负荷也相应提高，从而引起发电机各个部分温度升高，直接影响电机的使用寿命和运行的可靠性，因此对于水轮发电机的发热和冷却问题的研究显得日益重要，已经成为当前水轮发电机设计过程中最重要的问题之一。

1 发电机温升计算的作用

发电机在运行时，由于各种损耗的存在，将使发电机的定子绕组、转子绕组及铁芯发热而导致发电机温度升高。如果各部温度超过了绝缘材料的允许工作温度，就会使绝缘老化加快，从而大大缩短发电机的使用寿命。

发电机的温升计算，就是为了了解发电机在带负荷运行时，各部分温度的可能变化情况，从而能将其控制在限额以内，保证发电机的安全可靠运行。

温升计算的意义如下：

（1）了解发电机在额定状态下运行时，发电机的额定负荷能力和过载能力；

（2）绘制发电机在允许的电压变动范围内，及不同冷却介质温度时的极限工作能力曲线，从而为发电机在非正常情况下的运行提供依据；

（3）研究发电机各部分温度与最高发热点温度的关系，为评价和改进发电机结构及通风冷却系统提供依据；

（4）测定定子绕组绝缘热降，研究绝缘热降所反映的绝缘老化情况；

（5）确定绕组平均温度、最高发热点温度和测温计反映的温度之间的关系，研究准确监视测量绕组温度的方法。

2 发电机温升计算研究方法

大型电机在国民生产中起着至关重要的作用，国内外很多学者对其通风冷却以及温度场的计算进行了大量卓有成效的研究工作，但是大型电机的通风冷却的研究涉及到电磁学、流体力学、传热学和数值计算方法等多学科的理论，因此对于大型电机的通风冷却研究的进步必定建立在这些学科理论的进步基础之上。在水轮发电机的设计过程中，温升计算是设计的主要内容之一，它直接关系到电机的出力、效率等性能和经济技术指标，同时也影响到电机的使用寿命和运行的可靠性准确地温升计算不仅是制造厂家多年来寻求的目标，也是电机运行部门关注的重要问题之一。目前，温升计算的主要方法有简化公式法、等效热路法和温度场法。

（1）简化公式法。简化公式法是假定全部铁心损耗及有效部分铜耗只通过定子(或转子)圆柱形冷却表面散出，而且电枢绕组铜的有效部分和接触部分之间没有热交换这些假定虽然不尽合理，但是这种方法所采用的散热系数是根据结构相同或相似的电机温升试验结果确定的，因此计算结果比较接近于实际,这种方法的优点是计算简单，因此易于被工厂接受，缺点是不太精确，不够完整，只能计算出电机的平均温升，不能满足日益提高的设计工作的需要。

（2）等效热路法。等效热路法是根据传热学和电路理论来形成等效热路，热路图中的热源为绕组的铜损耗(槽部、端部)，铁损耗(齿部、扼部)，这些损耗所在部件在计算时被认为是均质的。损耗热量通过各种相应的热阻，由热源向冷却介质传递，形成一个复杂的热网络采用电路网络中基尔霍夫定律来列出全部热平衡方程，然后用求解线性电路的方法，计算电机各有效部分的平均温升。此方法计算精度比简化公式法高，能够得到电机总体温升和平均温升如果要提高计算精度，必需增加网络节点和热阻数，但这使工作量大大增加，从而失去其计算工作量小等优点。

国外有专家早在1955年就在AIEE上发表用热路法预测铸铝鼠笼电动机的瞬态停车温度的文章由于该方法计算的结果是从整体出发，得到总体温度和温升，因此，预测平均温度相当准确，但不能预测最热点温度。不过由于计算简单，便于手算，加之多年的经验，计算结果总的来说基本上是符合实际，所以一直沿用至今。Y.Guo等人在2005年针对带有软磁复合定子的爪极永磁电机的具体特点，采用集总和分布参数混合方式以准确计算各部分的铁心损耗，从而进行电机的热分析。

（3）温度场法。温度场法是用现代数值方法来求解热传导方程，也就是将求解区域离散成许多小单元，在每个单元中建立方程，再对总体方程组进行求解。由此可见，温度场法将研究对象从宏观转为微观，从总体转到局部单元，求得每一点的温度和温升，对整个计算区域中的每个局部单元都能获得可靠的计算数据，从而更加准确、合理地指导对电机的设计。1974年，A.N.鲍里先科等人给出了用电子计算机求解温度场的一些方法和实例。

对电机温升的计算中，等效热路法是基于场路结合的思想有限差分法、有限元法和有限体积元法才是实际意义上温度场的数值计算方法，意大利学者G.Cannistra于1991年针对深槽鼠笼异步电机分别采用热网络法(TNM)和有限元法((FEM)分别进行了分析。

有限差分法是用差分来近似代替微分，把求解域内的偏微分方程和有关的边界条件，化成适用于区域内部和边界上各个节点处的差分方程组，然后用古典方法或计算机来求解联立的差分方程组。北京计算中心曹国宣用有限差分法计算了水内冷汽轮发电机转子温度场；2000年张新波、许承千进行了电机温度场与电机空气温度场的偶合计算。

但由于有限差分法采用的是直交网格，该方法较难适应区域形状的任意性，而且区分不出场函数在区域中轻重缓急之差异，对于复杂的二类边界条件及内部介质界面的处理比较困难，宜于求解边界比较规则的电机温度场问题。

有限元法是R.Courant于1943年首先提出，20世纪50年代由航空结构工程师们所发展，随后逐渐波及到土木结构工程，到了20世纪60年代，在一切连续领域，都愈来愈广泛的得到应用。与差分法相比，具有剖分灵活的特点，对于复杂的几何形状，边界条件、不均匀的材料特性、场梯度变化较大的场合，都能灵活地加以考虑，通用性强故用有限元求解温度场，可以求出场域内各点的温度值，从而更准确地描述整个求解域内温度的分布。

1996年孔祥春等人进行了水轮发电机转子中部最热段三维温度场的有限元计算。2005年陈琳、姚若萍等人采用有限元法结合流场分析对轴向通风冷却电机的转子温度进行了研究。由于有限元法在温度场求解方面的优点，当前仍然是电机温度场求解的主要方法之一。

3 结语

电机的发热与冷却的研究始终是电机学科永恒的话题，对于大型发电机更是显得尤为重要。电机的发热与冷却属于流体力学、传热学、电磁学和电机工程等学科的综合研究，也是边缘学科，迄今为止，国内外在这方面所做的工作还不多。随着计算机技术的飞速发展，使得大型水轮发电机流体场、温度场、电磁场、机械应力、各种电磁机械参数分析计算得以更加详细深入，可以根据理论计算，进一步降低发电机内部杂散损耗的设计结构，降低发电机的事故率、提高可靠性等。

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