哈电全空冷300M var调相机通风冷却系统研究

黄 浩，安志华，朱志佳

（哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨150040）

0 前言

近年来，随着新能源发电技术的不断发展，大容量、远距离特高压直流输电技术得到了大规模的推广应用。由于直流系统在动态过程中需要从系统吸收大量的无功，使得电压稳定问题成为大电网安全稳定的主要问题之一，客观要求直流大规模输送必须匹配大规模动态无功［1］。传统的电力电子无功补偿装置受其自身工作特性的限制，无法在电力系统发生故障时提供足够的动态无功支撑。调相机作为一种无功补偿装置，可充分利用其次暂态、暂态以及稳态特性，具有优异的动态无功特性，在故障情况下，可瞬时向系统提供超出自身容量数倍的动态无功，还可为系统提供一定的短路容量以及转动惯量支撑。

国家电网公司在多回特高压直流的送、受端均加装了调相机，哈尔滨电机厂有限责任公司 （以下简称哈电）参与并提供了10余台全空冷300M var调相机设备。考虑到送端系统暂态过电压和短路容量支撑问题，受端系统快速无功调节以及送受端过载能力的需求，要求调相机设计时应具有较小的超瞬变电抗和短路时间常数，较高的转子强励倍数，较大的短路比和超强的定、转子短时过负荷能力［2］。以上设计约束使得全空冷300M var调相机通风冷却系统的设计成为了调相机开发的难点之一。

众所周知，调相机运行时要在定子和转子的一些部件中产生损耗，引起各部件的发热。各部件间存在高温部件向低温部件的导热，通风冷却系统内的冷却空气与各发热部件间同时进行着对流换热来解决各发热部件的冷却问题［3］。

本文介绍了哈电全空冷300M var调相机的通风冷却系统结构，并以此调相机为算例，采用流体动力分析的方法，计算了其风量分配。采用有限元法对不同工况下的定、转子稳态和瞬态温度场进行了计算，论证了调相机在不同运行工况时的温度变化情况。通过定子采用多路通风结构，降低了定子温度不均匀性及高点温度。通过采用励磁绕组端部两路通风和直线段多排孔设计结构，解决了励磁绕组的发热问题，实现了调相机的全空气冷却。

1 流体动力分析的方法

本型全空冷300M var调相机采用转子副槽通风的结构，当其运行在额定转速下，转子槽楔出风孔与转子副槽间形成了一定的压力差，并且随着空气在副槽内的轴向流动与不断的径向分流，形成了动压和静压的不断转换。对于调相机通风冷却系统的分析，首先研究了转子风量的分配。转子槽部的通风计算主要是在一定的进口静压 （护环下）、出口静压 （气隙内）和转子自身离心压力下，对副槽和励磁绕组径向风道内气体流量、压力分布进行计算。转子副槽通风计算的风路示意如图1所示。

图1 副槽通风计算风路示意

相邻两个径向风道风路的伯努利方程如下：

式中，Pas，Pbs为转子副槽a处和b处的静压；Vaa，Vab为转子副槽a处和b处的气体轴向流速；Cv为速度转换系数；Cx为分流阻力系数；Cf摩擦系数。

转子计算从最靠近转子中心线的一个径向风道开始，先假设该处径向风速，依次对各个径向风沟计算，反复迭代，直到进口处静压和已给的静压相等［4］。

计算转子的风量分配后，将其作为风源项并入调相机整体通风冷却系统的计算中。

根据质量守恒定律，在通风冷却系统内，流入和流出同一流道的冷却流体流量相等，因此对于通风计算网络中的每个节点均应有：

根据能量守恒定律，通风计算网络中的任意闭合回路，都有冷却流体的流动压力变化总和为零。即：

根据各节点流量和压力的关系建立各节点的线性方程矩阵，求解通风系统的风量分配和压力变化［5－9］。

2 温度场计算原理

应用有限元法进行调相机各部分温度场计算，利用几何元素和布尔运算操作生成基本的几何模型，在建立几何模型的同时，生成如图2所示的节点和单元。

考虑边值问题，在直角坐标下，各向异性介质中的三维稳态热传导方程为［10－12］：

式中，kx，ky，kz为 x，y，z方向的导热系数；Ω1，Ω3为边界条件。

通过变分问题离散形成有限元方程为：

对于瞬态温度场，可通过对时间项离散的方法形成有限元计算方程。

3 通风冷却系统设计

如图3所示，该调相机采用全空气冷却，在风扇的作用下，冷风主要分三路进入调相机，其中一路经定子绕组端部、顶部风罩进入定子进风区，冷却进风区定子绕组、铁芯后流入气隙；另一路流入转子，冷却励磁绕组直线段和端部后，进入气隙；还有一路直接进入气隙，这三路空气一并流入出风区的定子通风沟，冷却出风区的定子绕组及铁芯。除上述三路风道外，定子端部结构件还设计有单独的风道。被发热部件加热的空气与冷却器的冷却水进行热交换散去热量，然后，冷却空气重新被风扇压入调相机内，形成密闭循环通风方式［13－15］。

图3 通风冷却系统风路示意

定子采用5进6出的多路径向通风结构，这种结构可以缩短定子风路的长度，降低高点温度，提高定子绕组与定子铁芯绝缘的寿命。

转子绕组直线部分采用斜副槽径向通风方式，冷风从转子副槽进入直线部分，经径向风道冷却绕组直线部分后，从转子槽楔的出风口排出，进入气隙。转子绕组端部采用两路通风结构，冷风从入风口进入绕组端部，直接冷却绕组端部，一路从转子本体靠端部的槽楔出风孔排出，进入气隙，另一路从端部弧段出风孔排出，经大齿通风道进入气隙。

由于调相机励磁电流较高，还有2.5倍强励持续15s的过负荷要求，转子绕组的发热问题是开发全空冷调相机的关键。通过调整槽楔出风孔尺寸，从中间向端部分为几组不同的孔径，中间孔径相对端部直径要小，配合优化转子副槽的斜度，使转子轴向风量分配趋于均匀，降低了转子绕组的温度不均匀性，减小了转子结构件的热应力。另外，还优化了转子绕组直线部分多排通风孔结构及端部两路通风的设计方案，也使励磁绕组的温度得到有效控制。

4 通风冷却系统和温度场的计算

4.1 通风冷却系统计算

在调相机的通风系统中，冷风流过定子通风沟和转子绕组通风孔等风道时产生一定的压力损失，主要包括局部损失和沿程摩擦损失，一般局部损失远大于沿程摩擦损失。采用本文所述的计算方法，分别针对直、斜副槽不同槽楔出风孔，直、斜副槽相同槽楔出风孔方案进行了风量分配的计算比较，如图4所示。

图4说明斜副槽不同槽楔出风孔方案的风量分配最为均匀，转子的总风量为27.66m3／s，其中本体风量为 18.56m3／s，端部风量为 9.1m3／s。

图4 转子本体出风孔风量分布

本文根据调相机不同部件产生的损耗大小，进行结构的调整，以提供合适的风量分配来满足调相机冷却的需要。在转子通风计算的基础上，采用网络法，计算了调相机各部分风量，通风计算网络如图5所示，各部分风量分配见表1。

表1 各部分风量分配 单位：m3／s

图5 调相机的通风网络

定子进风区风量约占总风量的29.5%，转子进风量约占总风量的31.9%，气隙进风量约占总风量的26.4%，端部结构件风量占总风量的12.2%。

4.2 计算工况

调相机除在额定工况稳定运行，还需具备较强的短时过负荷能力，因此，本文在开展稳态温度分布研究的同时，根据表2和表3对应的工况，对定子绕组和转子绕组进行了瞬态温度的计算。

表2 定子绕组的短时过负荷工况

表3 转子绕组的短时过负荷工况

4.3 定子温度场计算

定子温度场计算以调相机全轴向半齿半槽为计算域，在通风沟内定子齿、轭、绕组与空气接触表面采用第三类边界条件。在材料方面，由于铁芯冲片和绕组股线有绝缘漆膜，计算中将铁芯和股线的材料定义为三维各向异性［16，17］。图6所示为定子计算域温度分布云图，表4为各出风区对应的热点温度。

表4 定子温度场RTD热点温度计算结果

图6 定子温度分布云图

从计算结果可以看出，定子铁芯的最热点温度为91.2℃，定子绕组铜最热点温度为109.22℃，高点位于出风区的上层定子绕组靠近层间绝缘处。定子RTD热点温度为100.2℃。结果表明，额定运行时，定子各部分温度满足标准要求。

4.4 转子绕组温度场计算

本文取转子本体半齿半槽为转子绕组直线段的计算域；端部计算域取9号槽的最长转子绕组的端部区域。转子绕组通风孔、转子表面及转子副槽表面等存在对流换热，因此，在这些位置施加第三类边界条件［18－20］。另外，针对有通风孔段和无通风孔段分别施加不同的热生成率。图7所示为转子绕组温度分布云图。

图7 转子绕组温度分布云图

从计算结果可以看出，转子绕组的最热点温度为105.32℃，处于转子绕组直线段，计算转子绕组的平均温度为93.8℃。结果表明，额定运行时，转子绕组各部分温度满足标准要求。

4.5 过负荷工况的温度变化

以稳态计算结果作为瞬态场的初始条件，本文根据表2在5s、7s、15s和60s内的定子电流变化，计算了定子层间RTD的温度上升情况，具体的计算结果如图8所示。

图8 不同工况的定子RTD温度曲线

本文根据表3在15s、26.5s、35.2s和63s内励磁电流的变化，计算了转子绕组的温度上升情况，具体的计算结果如图9所示。

图9 不同工况下转子温度曲线

在不同的过负荷工况，短时运行时，定子RTD温度上升不多，但转子绕组温度升高明显，当采用优化的通风冷却结构时，能使转子绕组的温度得到有效控制。

4.6 端部结构件温度分布

调相机进相运行工况，端部漏磁场增强，导致结构件发热，为保证调相机的安全运行，需控制端部结构件的温度。一方面为减小端部结构件损耗，调相机采用阶梯状边段铁芯，增加漏磁场磁阻的同时将边段效应分散到多个铁芯段；边段铁芯齿上开有2mm左右的小槽，减小端部轴向漏磁通引起的涡流损耗；铁芯通风槽钢、压指、压圈均采用无磁性材质；压指头倒圆角，避免损耗集中。另一方面，通风冷却系统也需特殊设计。铁芯压指和磁屏蔽压指均设计单独风道，增强冷却能力。铜屏蔽内外表面均设计高速风道，提高风量及增加散热面。端部冷却风路如图10所示，冷风经风扇加压后进入电机内，其中一部分冷风进入气隙径向流经边端铁芯和大压指，一部分冷风经过定子线圈端部流经磁屏蔽、小压指和铜屏蔽内、外两侧风路后，最终携带端部结构件热量汇集到定子铁芯背部，经冷却器散去热量后重新经风扇加压后进入电机内。

图10 端部结构件风路示意

由于定子端部结构件沿圆周方向对称分布，所以计算域周向取对应定子的一齿一槽区域，轴向包括定子边段铁芯、大压指、磁屏蔽、小压指、压圈和铜屏蔽。网格剖分如图11所示，考虑进相工况运行，端部结构温度比额定工况要高，本文给出了进相工况的计算结果，如图12所示。

图11 端部结构计算模型

图12 端部结构温度分布云图

图12的计算结果说明，端部结构件的温度得到了很好的控制。

5 结论

本文以哈电全空冷300M var调相机为算例，采用流体动力分析和三维有限元法研究了调相机通风系统的冷却效果。分析了调相机在额定工况及过负荷工况的温度变化情况，提出了转子的优化措施。从冷却风路的设计上，提高了对端部结构件的冷却能力，从而使端部结构的温度得到有效控制。

调相机总风量为86.78m3／s，定、转子在不同工况的温度均在合理范围内，说明本文选择的各部分风量分配合理，通风冷却系统的冷却效果良好，解决了转子高电磁参数发热的问题，满足了工程应用的需要。