大中型汽轮发电机定子线圈换位技术

2013-12-10税航伟董江伟薛化冰王正平王玉芳

上海大中型电机 2013年4期

税航伟，董江伟，薛化冰，王正平，王玉芳

(1.山东济南发电设备厂有限公司，山东济南 250100;2.山东英才学院，山东济南 250104)

0 引言

汽轮发电机定子线圈中的附加损耗通常有两种类型。一种是集肤效应附加损耗，该损耗产生在线圈各股线内部。采用减薄股线厚度的方法可以减少这种挤流附加损耗［1］。另一种是环流附加损耗。由于定子线圈各并联股线在不同的磁场作用下产生的感应电势不同，因而在并联股线回路中形成感应电势差。这就产生了循环电流造成的附加损耗。股线换位技术可以缩小并联股线间电势差，从而减少环流附加损耗。

换位技术是大中型汽轮发电机定子线圈设计的关键技术之一。通过股线的换位，可减少线圈并联股线环流附加损耗对定子线棒温升的不利影响。

1 股线电势图

股线电势图法是分析并联股线回路电势的有效方法，与计算机有限元辅助分析法比较，结果一致且简单方便。

股线电势图分析法中，定子线圈槽部和端部所处位置的磁场都可大体分为:径向磁场(Br)、横向自感磁场(Be)、横向互感磁场(Bf)。各磁场分量都在相应部位的股线里产生感生电势。

本文以两排导线线圈为例说明股线电势图。首先按比例画出换位线棒的高度及长度。在每排中任选一根股线，画出股线的实际位置图。然后把任意两根股线形成的大回路看做由数个小回路组成。分析时用箭头示意出大回路的走向。当小回路中由各磁场分量感生的电势的方向和回路方向一致时，感生电势的方向取“+”;当小回路感生电势的方向和回路方向相反时，感生电的方向取“-”。各小回路面积的大小代表了小回路感应电势的大小。这些小回路电势的合成即为股线回路电势。

2 股线电势图法对典型换位方式股线回路电势的分析

2.1 槽部360°换位，端部不换位(0°/360°/0°)

从图1的股线电势图可知，Br在端部产生的电势不能抵消;Be在端部感生的电势不能抵消;Bf在端部产生的电势不能抵消。

图1 槽部360°换位端部不换位的线圈股线电势图

2.2 槽部540°换位，端部不换位(0°/540°/0°)

从图2的股线电势图可知，Br在端部产生的电势部分抵消;Be在端部感生的电势被抵消;Bf在端部产生的电势部分抵消。

2.3 槽部360°换位，端部换位90°(90°/360°/90°)

从图3的股线电势图可知，Br在端部产生的电势被抵消;Be在端部感生的电势不能抵消;Bf在端部产生的电势被抵消。

图3 槽部360°换位加端部90°换位的线圈股线电势图

2.4 槽部360°换位，端部换位180°(180°/360°/180°)

从图4的股线电势图可知，Br在端部产生的电势部分抵消;Be在端部感生的电势被抵消;Bf在端部产生的电势部分抵消。

图4 槽部360°换位加端部180°换位的线圈股线电势图

2.5 槽部 540°换位，端部换位 ±180°(+180°/540°/-180°)

从图5的股线电势图可知，Br在端部产生的电势被抵消;Be在端部感生的电势被抵消;Bf在端部产生的电势被抵消。

图5 槽部540°换位加端部±180°换位的线圈股线电势图

2.6 槽部540°换位加90°、270°处空换位

从图6的股线电势图可知，Br在端部产生的电势被抵消;Be在端部感生的电势被大部分抵消;Bf在端部产生的电势被抵消。

图6 槽部540°换位加90°、270°空换位的线圈股线电势图

综上分析，不同的换位方式的线圈中各种磁场所感生电势的抵消情况可汇总如表［1］。

表1 线圈中各种磁场感生的电势

从而可以看出，从感生电势抵消的情况来看，槽部540°换位且端部换位±180°的换位方式最为理想。各磁场分量的作用都能被完全抵消，股线之间没有电势差，完全消除了循环电流附加损耗。但是这种换位方式，结构和工艺都很复杂，如果电机的定子铁心和线圈端部较短时采用这种换位较为困难。

0°/360°/0°换位方式的线圈，对端部磁场分量的抵消程度最差。但这种线圈换位节距大，在结构和工艺上最简单。因而在中小型汽轮发电机、水轮发电机、大容量的同步调相机上广泛应用。

0°/540°/0°换位方式的线圈，结构工艺稍复杂但端部不需要换位。该种换位型式的线圈除了端部横向自感磁场没有被完全抵消外，其余磁场分量的作用全部被抵消了，在大型汽轮发电机上应用较广。

3 定子线圈换位设计(两排线圈360°换位为例)

定子线圈换位设计主要涉及以下几个参数的确定(如图7、图8所示)。

图7 换位参数示意

图8 换位参数示意

其中:m为每排参与换位股线数。换位长度L根据铁心长度确定。换位节距T=L/(2m-1)。股线两S弯的距离，根据文献介绍及换位设计，基本上都取A=m×T。但笔者在实际设计工作中发现在换位股数多、长度大、度数大、端部换位等较复杂情况下，这种取值会产生较大的积累误差。该误差会使成品线圈换位段位置控制尺寸偏差较大且编织后期换位节距难以保证，严重时会导致换位编织无法最终完成而产生废品。因此，笔者认为要消除积累误差的影响，在设计大型复杂换位的定子线圈时，每一步换位时股线每相邻的两S弯的距离应都取A=;对于S弯的长度t为了使股线换位编织更容易进行减小股线绝缘破裂的可能，一般取t≤0.6T;S弯的压深尺寸一般比股线宽度尺寸大约0.5 mm［1］。股线压弯半径一般根据股线宽度取5～20 mm。