[01113450]大型交流发电机定子线棒换位方式及其相关磁热问题分析方法的理论研究

一、课题来源和背景 百万千瓦级交流发电机是核电站及大型水电站中关键的机电能量转换装置,近年来,面对日益严峻的能源危机和环境污染问题,我国决定在引进、消化吸收国外先进的百万千瓦级交流发电机技术的基础之上,提出设计与制造更高容量与更加安全的大型发电机组的目标。因此,围绕大型发电机组关键设备的研究具有重大实际意义。在我国大力发展清洁能源的大背景下,百万千瓦级交流发电机的设计研发已经成为电力工业发展的重要问题。定子线棒换位方式的合理设计是保障百万千瓦级交流发电机安全运行的关键,与其相关的设计与制造技术是大型交流发电机设计中的关键问题。 二、研究目的和意义 大型交流发电机的定子绕组中由涡流和环流引起的附加损耗很大。为了减小涡流附加损耗,定子绕组的每根线棒均由多根扁铜股线组成,但由于线棒中的股线在端部由并头套短接,在线棒的股线之间会产生环流,为了减小环流附加损耗,定子线棒中的股线通常采用编织换位结构。定子线棒在运行过程中会承受电、磁、热等因素的作用,导致线棒绝缘损伤直至击穿,可能会造成毁机、停机的严重后果,不仅对电力系统的安全运行产生影响,还会带来巨大的经济损失。因此,需要进行合理的定子线棒换位设计,减小定子线棒的附加损耗、提高电机效率,减小股线之间的温差,以保证绝缘寿命和电机安全运行。目前我国百万千瓦级以上交流发电机换位线棒的设计技术多依赖于国外引进,对线棒换位方式缺乏准确的分析方法和理论研究,不利于发电机的增容改造与再设计,因此,掌握定子线棒换位设计和分析方法是我国百万千瓦级以上交流发电机产业发展亟待解决的问题。 三、创见与创新 定子线棒换位方式的合理设计是保障大型交流发电机安全运行的关键,目前对于换位方式的设计主要依据简化解析解法求得的环流损耗,无法满足大容量发电机高精度的设计要求。本课题围绕定子换位线棒磁热问题的分析方法展开了研究。 提出了适用于不同换位方式的定子线棒环流和涡流附加损耗的快速计算方法-等效电路网络法。建立了仅包括电阻和漏电抗参数的等效电路网络模型,提出了基于离散积分思想和坐标变换原理的等效电路网络模型中的漏电抗参数的计算方法。 提出了求解定子复杂换位线棒电磁问题的三维电磁场-电路耦合比例边界有限元法。在边界处采用有限元的单元离散方法,在没有离散的区域通过解析算法进行求解,采用相似性原理解决了股线换位弯的剖分问题,大大降低了剖分数量。 提出了多路并绕股线电流的实时测试方法,研制了基于多层PCB板的线阵式霍尔传感器,搭建了定子换位线棒股线电流测试平台,实现了在不破坏定子换位线棒端部结构的情况下并绕股线电流的实验测试。 提出了一种可以考虑股线实际换位结构以及热源分布的定子线棒温升的快速计算方法-等效热网络法。通过改变不同轴向截面股线节点之间的传热路径实现了定子股线实际换位结构的模拟。 提出了适用于复杂编织换位股线的剖分方法,实现了定子复杂编织换位线棒温升的三维有限元计算,解决了传统剖分方法在复杂换位股线以及股线绝缘的网格离散过程中产生的网格畸变问题。 揭示了不同换位结构定子线棒全域漏磁、环流、涡流、电磁力以及温升的分布规律,为在线监测位置的选取提供理论依据。 提出了基于混合蚁群、NSGA-II的定子线棒换位结构的多变量、多目标优化算法,开发了定子换位线棒的可视化优化设计软件,提出了多种定子线棒换位结构优化方案。 四、社会经济效益 课题研究成果为交流发电机定子线棒换位设计提供了理论基础和技术手段,已应用于上海电气电站设备有限公司上海发电机厂系列化水氢冷发电机的设计研发和哈尔滨电机厂有限责任公司百万核发电机组的研发设计,为我国大型交流发电机行业向高精尖技术发展提供了技术支持。