发电机出线裸导体电磁-热防护研究

李禹江 童涛 宫金林 王晓辉 吴二存

摘要：该文以发电机出线裸导体及其周围的钢架结构为研究对象，研究出线裸导体的交流磁场对周围钢架结构的磁场热效应。基于多物理场有限元分析的方法，首先建立发电机出线导体及周围钢架结构的电磁场模型，定量分析产生的涡流损耗;其次通过电磁场和温度场耦合的方法，将涡流场中产生的损耗作为热源导入热力学模型，建立钢架结构的热力学模型，定量地分析出线导体对周围钢架结构的热磁影响，得出出线小间的温度分布。根据分析结果，为发电机出线导体及其周围钢结构的设计提出相应的防护措施，解决出线小间局部过热问题，使设备运行参数达到设计标准。

关键词：发电机;出线裸导体;多物理场分析;有限元方法;热防护

中图分类号：TP931 文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2019）05-0060-06

收稿日期：2018-08-29;收到修改稿日期：2018-10-10

作者简介：李禹江（1983-），男，山东潍坊市人，高级工程师，从事发电厂电气一次设计工作。

0 引言

目前双水内冷发电机等机型出线导体多为裸导体，其出线区域狭窄，导体距周围钢构距离较近，此导体对周围钢构的热磁防护设计中无定性定量分析;常规的设计中与电磁防护相关图纸多为套用，特别是短路环的制作及安装详图没有给出，现场无法准确有效施工[1]。

在发电机出线导体电磁-热防护的相关研究中，要么集中于對母线槽内低压大电流母排发热的研究，要么局限于对离相封闭母线的研究，对敞开空间的周围钢架结构，特别是出线小间内的钢构热效应的研究甚少。在国内方面，文献[2]采用有限元计算方法，得到了磁感应强度和电磁力的大小及其在母线桥中的分布规律，并通过与母线桥正常运行时的实测数据对比，得到不同工作电流、母线相间距离会对磁感应强度和电磁力产生不同影响的结论。文献[3]基于多物理场耦合的有限元计算方法，比较了大电流离相封闭母线的计算温升与该产品型式试验的结果，误差小于2℃，该计算方法对于封闭母线的产品设计具有一定参考意义。文献[4-6]将磁-热耦合方法应用于大电流输配电设备的母线槽中，其通过间接耦合方法分析了母线槽内部流体场和温度场，发现存在一个使母排温升最小的最优母排间距，并提出可通过增大外壳高度或宽度来降低母排温升的方法。文献[7]应用电磁场理论分析了低压大电流母线框紧固螺栓这类零部件的涡流发热问题，推导出相关解析表达式，并提出了消除有关发热危害的具体措施。文献[8]利用CAE技术分析了导体的排列、布置方式与电场强度分布之间的关系，并探寻影响其载流量的因素，提出通过合理布置排列多片矩形导体的方法，降低导体的发热，该方法能有效提高导体的载流量。

在国外方面，同国内相似，局限于对离相封闭母线及其相关结构的研究。例如利用二维有限元方法分析了母线槽及其支架钢构的涡流损耗，并用多物理场耦合分析了母线槽及其周围钢架结构的温度分布，为母线槽的保护措施提供了一定的参考[9]。Ho S L[10]提出了一种计算出线导体及其绝缘材料温升的算法，并利用25kV/12.5kA的封闭母线为例验证了该算法。Kim S W[11]提供了一种新的预测超高压母线温升的解析预测方法。文献[12]分析了3种封闭母线磁场的计算方法，并分别采用有限元方法和解析计算方法对母线屏蔽的有效性进行了分析。

由国内外文献和专利检索分析可知，现有研究多集中于封闭母线的磁场热效应研究，且均采用电磁场、温度场耦合分析的方法分析母线的温度分布，但对发电机到封闭母线中间的出线小间中的裸导体的研究甚少。

本文采用多物理场有限元分析方法，首先建立了发电机出线导体及周围钢结构的电磁场模型，分析涡流场中产生的损耗;其次建立其热力学模型，将涡流场中产生的损耗作为热源导入模型，定量地分析出线导体对周围钢结构的热磁影响，得到了模型的温度场分布;最后基于多物理场分析的结果，为发电机出线导体及其周围钢结构的设计提出了相应的防护措施。

1 磁场分析

采用多物理场有限元分析软件ANSYS，依托现有工程，首先建立发电机出线导体及周围钢结构的几何模型;其次利用电磁场涡流求解器分析模型的磁场分布以及涡流损耗。

1.1 几何模型的建立

发电机出线小间主要由钢架结构、出线裸导体、导体支撑槽钢以及安装槽钢的墙体组成。根据工程施工的具体数据建立其几何模型。

1.1.1 出线小间钢架模型

图1所示为发电机出线小间的钢架结构。钢架结构高16900mm，宽10 350mm，长14 200mm，由24465根直径为18mm/36mm的钢筋组成。小间分为上下两层，发电机位于小间的顶部，出线导体由顶部进入小间，从第二层的一侧引出连接大电流母线。出线小间内部为裸导体，大的交流电流形成的磁场会在周围钢架结构中产生涡流损耗，引起小间温度的升高，从而影响钢架的支撑应力。

1.1.2 出线裸导体及支撑槽钢模型

出线小间内的发电机出线导体及其支撑槽钢的几何模型如图2所示。出线导体共有6根，均由两个U型铝质导体对立排布构成，其中3根引出小间对外供电，另外3根为中性点导体。

为了固定出线导体，在出线小间内安装了U型的支撑槽钢，如图2中蓝色结构。相比于钢架，槽钢的尺寸较小，且块数较少，它主要起支撑和固定出线导体的作用，与槽铝往往只有一个绝缘子的距离。U型截面两侧厚度8mm、底部厚度10mm。出线小间中固定出线导体的5条槽钢长度为3585mm，其中上面4根是固定在墙体上，最下面1根固定在地面，中性点导体的槽钢支架三横四竖交错排列。导体中交流电流产生的磁场同样会在槽钢中感应出涡流损耗，在出线小间中是一个重要的发热源，引起槽钢温度的升高，这样会严重影响其支撑应力，进而影响其使用寿命。对槽钢磁场和温度场的分析也是本文的主要内容之一。

1.1.3 墙体模型

图3中白色部分为墙体，由一系列高4000mm的块状结构组成，除与立柱衔接处的墙体较薄外，其他部分厚度均为100mm。槽钢固定在白色墙体上，出线导体透过墙体引出出线小间，通过软连接与大电流母线连接。墙体的主要作用是安装支撑导体的槽钢。

1.2 模型简化

1.2.1 钢架结构简化

出线小间钢架结构3D模型体积大，共有24465根钢筋组成，如图4（a）所示。用有限元方法对该模型进行分析时，会产生数量十分庞大的网格，不仅需要十分强大的硬件资源，而且分析周期将会很长。在实验室现有计算资源下：De117810塔式工作站，有2个英特尔至强E5-2600 V3系列处理器，32核64 GB内存，无法对原模型进行有限元分析，因此在考虑磁场分布的情况下，需要对模型进行简化。将钢架中受磁场影响微弱或者不受影响的部分按如图4（a）中红线的标注进行切割，简化后的模型如图4（b）所示。

经过结构简化之后的模型，无论是在模型尺寸，还是在钢筋数量上都得到很大的简化，且模型通过自检无报错，但该简化模型仍然需要庞大的计算资源，上万根钢筋组成的出线小间，网格必须细化到钢筋直径大小，使得有限元模型中分析单元太多，造成无法分析，因此需要进一步简化模型。

1.2.2 模型等效逼近

为了解决上述问题，本文提出了模型等效逼近的方法，即首先将立柱和横梁等效为钢块，如图5（b）所示。這样可以有效减少有限元模型中分析单元的数量。与原模型相比，钢架发热位置大致相同，但是该模型中的涡流损耗将会增大，与实际模型差别较大。

将图5（b）所示的等效模型进一步按比例切分成100等分、500等分、1000等分……逐渐逼近实际的钢架结构模型，即原模型。图6中所示为按比例切分的100等分和500等分模型。

图7为利用有限元方法对出线导体中产生的焦耳损耗，以及交流磁场在周围钢架结构中产生的涡流损耗的计算。利用实验室的计算资源，完成500等分模型一次分析需要4天的时间，但是1000等分模型仍然无法顺利完成分析。由图7可知，各模型导体中的焦耳损耗是相同的，涡流损耗由钢块模型中的61.5kW逐渐变小收敛。相比于300等分模型的13.64kW，500等分模型的涡流损耗为12.82kW，已经相差不大，也就是说涡流损耗由100等分到500等分已经开始收敛，从而验证了模型等效逼近方法的有效性。

1.3 有限元分析结果

出线导体中添加有效值为12500 A三相交流激励，利用稳态求解器（eddy current solver），分析模型磁场分布，如图8所示，其中图8（a）为钢架结构磁密云图，图8（b）为支撑槽钢磁密云图。由图可知，在出线小间的右上角和底部磁密较大，其中右上角部位是中性点裸导体拐角处，并且靠近出线导体。模型底部磁密较大则是由于和出线导体距离较近，即磁密较大处是出线导体较为集中部位。

图9所示钢架结构中的损耗分布云图。由于钢架结构中的损耗为涡流损耗，也就是由交流磁场在钢架中产生的涡流引起的，所以损耗的分布和磁密的分布一致。损耗的计算结果将在温度分析中作为热源激励导入，其大小和分布是电磁场和温度场耦合的重要参数。

2 磁-热耦合模型分析

2.1 温度场模型参数设置

在ANSYS Workbench平台下，在简化物理模型的基础上，以各类损耗为热源，通过给定各部件的材料和施加必要的对流散热边界条件，完成发电机出线小间磁-热耦合仿真模型的建立，软件根据此实体模型自动建立电机稳态温度场的求解模型，计算得到出线小间的温度场分布情况。

为了准确地计算分析出线小间的温度场，需要确定出线小间内各类材料的具体物理属性，特别是其热属性，包括导热系数、比热容、材料密度等。表1所示为各部分材料的导热系数。

在固体与空气的交界面上存在热对流，热对流的量由温差决定。知道，母线周围的对流是大空间自然对流的问题，母线两侧的对流系数如表2所示。在温度和电磁场的耦合分析中，环境温度设置为40℃。

2.2 温度场分析结果

图10表示出线小间模型在未添加防护措施时的温度分布。由图可知，右上角的U型钢最高温度可达到75.3℃。对于外部钢构来说，靠近出线导体的部分温度较高，约56℃。根据工程设计要求，钢架结构最高温度为70℃，显然U型槽钢的最高温度已经超过了允许温度，应采取防护措施降低发电机正常运行时的出线小间内钢架结构的温度，延长使用寿命。

3 电磁/热防护措施

为了解决出线小间内局部温度过高的问题，本文提出了一种解决发电机机座钢筋发热问题的系统及方法。根据发电机实际运行情况，通过对出线小间内电磁场和温度场的定量分析，为支撑发电机出线导体的槽钢结构和小间内钢筋混凝土结构在特定位置分别安装一定厚度的U型铝质护环和平面铝板，起到电磁防护的作用，从而降低槽钢以及钢架结构的温度，起到热防护的目的，如图11所示，其中图11（a）中蓝色所示为防护铝板，图11（b）中绿色所示为U型护环。该防护措施有利于发电机出线导体的稳定以及延长发电机机座钢筋的使用寿命，有利于发电机的稳定运行。

图12所示为添加上述防护措施之后出线小间内的温度分布，最高温度为69.25℃，达到了工程设计要求。

此外，设计人员可以根据具体的温度要求，改变防护措施的参数，例如防护环和铝板的厚度来改变出线导体周围钢架结构的最高温度，使得满足设计要求。

4 结束语

本文依托现有工程，以发电机出线导体及其周围钢架结构的电磁-热防护为研究目标，建立电磁场和温度场的耦合模型，采用有限元方法定量计算分析了涡流场产生的损耗和热效应，得出了磁场分布和温度场分布。针对支架槽钢最高温度（超过70℃）区域，提出了采用铝材防护板和U型环的防护措施，通过进一步计算分析，验证了防护措施的有效性。

本论文提出的分析方法和防护措施，彻底解决了设计人员仅仅凭借经验做出设计方案的困扰，使得设计人员有据可依，避免了出线小间局部温度过高的问题。与现有设计方案相比较，该方案对安装防护铝材的位置以及参数给出了明确的设计，大大地减少了防护铝材的用量，降低了工程造价。

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（编辑：刘杨）