1、大型水輪發電機溫度場與熱應力分析摘要：當前水輪發電機單機發電容量不斷增大，其熱負荷以及電磁負荷也越來 越大。因此對水輪發電機熱應力和溫度場的分析研究成為當務之急。水輪發電機 產生短路故障后轉子磁極熱應力交變也更為復雜，研究發現與短路發生位置以及 短路匝數之間都存在較大關系。文章分析了大型水輪發電機轉子磁極熱應力，以 期幫助相關工作人員分析水輪發電機匝間短路問題，為優化解決方案提供參考。關鍵詞：水輪發電機；熱應力；電磁損耗大型水輪發電機往往熱負荷較大、磁通密度較高。過高的溫度會對繞組造成 影響，導致繞組損壞和發電機結構件熱應力增加,對機組的運行有著直接影響，當 熱應力超出合理范圍會導致機組安全運

2、行受到威脅。為此對水輪發電機不同工況 下熱應力與溫度分布的研究，能夠幫助相關工作人員預測大型水輪發電機熱應力 對結構的損害程度，方便對其進行優化。對探究大型水輪發電機的散熱系統的設計 以及排查故障方面具有重要作用。一、大型水輪發電機電磁建模及溫度場分析（一）水輪發電機的電磁建模以某大型水輪發電機為例，其發電機參數如表1所示。大型水輪發電機組有著徑向寬度大、軸向高度低的特點，通常我們忽略水輪 發電機的機組電磁場頂端效應，沿軸向進行均勻分布則能夠將其簡化為2D結構模 型進行研究。表1水輪發電機參數機組周期為對稱結構，最小周期的對稱數為4個磁極，相對應33個定子繞組與齒槽子。 為了達到簡化計算增強其

3、仿真精確程度，僅僅只選擇這中間最小的單位完成仿真計算。從而 建立起周期最小的對稱單元的2D仿真電磁分析模型。（二）邊界以及激勵設置水輪發電機模型是電磁分析中最小的單元模型，僅僅占據了全部水輪發電機模型的十六 分之一。仿真全模型的電磁特性要在小單元模型的兩側扇形部分增設主從邊界，因此在進行 仿真邊界計算的過程中，主從邊界可以使計算的最終結果沿軸自動向周期性進行對稱分布。 發電機的定子外徑設有邊界-諾依曼邊界，這種邊界能夠限制電機內部的磁通密度。直流電流 對發動機的轉子繞組進行激勵，其輸出端能夠使用外接電路進行激勵，定子繞組的外接電路 可應對兩種不同工況。（三）溫度場有關參數的確定參數確定需要具備

4、諸多條件，首先是溫度場的條件。在磁極正下方的界面稱之為絕熱面。 而極靴表面、勵磁繞組與迎風面和背風面的邊界面能夠用于散熱。其次是熱應力條件，當轉 子磁極靠近極靴端時極靴端托板不導電以作支撐之用。大型的水輪發電機具有很多熱源，為 保證計算結果的精確性，定子繞組磁動勢的雜散損耗應被考慮進其中。二、轉子繞組匝間短路熱應力的計算（一）短路匝數影響熱應力的分布通常情況來說物體產生熱應力的條件主要分為兩種，一種是構建內部存在溫度分布不均 勻的問題，構建內部溫度不同會對其相鄰部分產生影響，相互間的熱脹冷縮作用受到制約， 造成熱應力產生的問題。另一種是由于在構件與構件之間熱膨脹系數的差異，不同的部件是 由不同

5、的結構件組合而成的，但每個構件材料熱膨脹的系數存在差異的變量不同也會對熱應 力的產生起到作用。轉子磁極在常規狀態下應力分布較為平均，磁極的兩端是應力相對較弱的部分，熱應力 最大的地方在勵磁繞組與極靴端的連接處。短路匝四周的正常繞組熱應力變化情況是顯而易 見的，轉子磁極在出現短路故障后近處繞組熱應力較小，相對較遠的繞組熱應力會增加。在 兩者之間的繞組無明顯差異。但在鴿尾端的繞組熱應力呈現逐漸遞減的趨勢，與之相對的， 在靠近轉子磁極的極靴端繞組熱應力呈現上漲趨勢。短路匝數的對應力分布影響計算情況如 圖1所示。（圖1）短路時磁極熱應力分布（二）匝間短路位置的不同影響熱應力分布故障位置的差異會影響整體

6、的熱應力變化，其他勵磁繞組與短路繞組的熱應力也會受其 影響。故障位置的差異決定了磁極的整體熱應力變化情況。當短路故障發生不在同一位置磁 極的熱應力分布時，短路區域處于極靴端周圍，磁極最大熱應力會變小，而當短路區域在磁 極磁軛處發生時，磁極最大熱應力會變大。當短路故障靠近極靴端發生時鴿尾端的熱應力會 變大，反之在靠近鴿尾端時極靴端附近的熱應力也會變大。如圖2所示，即短路位置不同其 磁極熱應力分布狀態。匝間短路的位置產生變化時，短路問題出現在磁極的中部位置，則短路匝的熱應力下降 的幅度也會隨之縮減，反之，則幅度增大。（圖2）短路位置不同時磁極熱應力分布三、熱應變與熱應力的分析（一）熱應力的計算方式

7、定子系統產生的電磁損耗會以熱量的形式散發，水輪發電機的運行過程經常會出現發熱 問題，也與此相關。此種情況下造成的溫度升高的情況會導致內部結構中零件進行膨脹，產 生形變受到周圍環境的束縛零件內部出現熱應力問題。在水輪發電機的定子系統中發熱量與 發熱源的不同會產生零件表面溫度分布不均的情況，除此之外，零件的表面溫度分布還與零 件表面的散熱系數有直接關系。發電機的溫度不同，外力與內部相鄰的單元間相互約束，內 部結構的熱膨脹受到制約，自由膨脹受限導致熱應力的產生。建立相應的模型將溫度場的仿 真結果進行導入，能夠解出空載狀況下熱應變與熱應力的分布。計算公式為：（二）熱應力與熱應變將水輪發電機的三維模型與

8、網格劃分的導入參數置于溫度場中，并將其引入到具體結構 中在不同的工況情況下，將水輪發電機的定子機座固定住，使其立筋的上下兩部分在地面與 支架上固定。為了對其進行更加精準的運算，簡化運算過程有效降低計算難度對立筋進行固 定約束，使其上下兩個端面的設置更為牢固。隨后將空載工況與額定負載工況下的約束載入 進相應實體之中，由此解出在兩種不同的工況條件下定子系統的熱變形狀況。除此之外，還 能夠清晰的看出空載熱應力以及額定負載與熱應力熱應變在分布方面能否保持一致。而額定 負載在運行的過程中，熱應變與熱應力的數值要遠遠高于空載運行，熱應力與熱應變集中分 布與定子鐵芯內部，且上部較大，下部較小。這種分布方式和

9、溫度在定子鐵芯的分布十分相 似。（圖3）額定負載工況（圖4）空載工況四、分析水輪發電機熱應力問題的意義水輪發電機的故障產生受很多因素的影響，短路故障是其產生原因中較為頻繁的一種。 水輪發電機容量不斷提升的同時，熱應力問題也更加嚴重。大型水輪發電機在出現短路故障 時轉子磁極的溫度分布變化較為明顯，與此同時，對轉子磁極的熱應力分布也會產生一定影 響。磁極在不均衡的熱力影響下匝間短路的問題出現的會更為頻繁。機組安全得不到保障， 運行過程中會出現各種問題，進而導致水輪發電機無法進行正常運轉。因此對發電機熱應力 問題的分析至關重要。中國在水輪發電機熱應力的研究問題上有待提高，現如今我國電機熱應力問題已經

10、被引 起重視，但仍處于較為初期的階段，在具體問題的應用上機會不多。近些年來，有關學者在 溫度場與熱應力的研究方面取得初步成就，為我國水輪發電機熱應力問題的研究做出了重要 貢獻。在大型水輪發電機在運行過程中出現問題，可以通過更加科學的方式進行解決，為其 對相關設備檢測提供重要的理論指導。結語水輪發電機經常會出現轉子繞組匝間的短路問題，這種情況在大型的水輪發電機上都曾 出現過。當下水輪發電機的單機容量不斷得到擴充，帶動其內部熱應力的變動，此情況應該 被引起重視。大型水輪發電機產生短路問題時，短路匝溫度會出現變化磁極的溫度也會受到 影響，轉子磁極的熱應力分布也會隨之改變。磁極受熱應力不均會影響內部系統，造成匝間 短路問題，不利于機組的安全運行。參考文獻李俊卿，王羅，李永剛，沈超.水輪發電機勵磁繞組匝間短路轉子熱應力計算與分析J.電機 與控制應用,2018,45(08):116-123.李偉力，李金陽，李丹.變截面轉子通風溝對全空冷水輪發電機轉子溫度場和流體場的影 響J.電工技術學報,2017,32(S2):42-49.寇攀高，李超順,