飛來峽機(jī)組阻尼條熔斷的設(shè)計(jì)分析

1、飛來峽機(jī)組阻尼條熔斷的設(shè)計(jì)分析摘要：介紹飛來峽組磁極阻尼條熔斷情況，并從機(jī)組的根本設(shè)計(jì)出發(fā)，重新進(jìn)展了電磁計(jì)算，特別采用有限元方法對(duì)瞬變電磁嘗采用國際流行的商業(yè)軟件ANSYS對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)展理論計(jì)算，借助于國內(nèi)對(duì)此類機(jī)組設(shè)計(jì)的經(jīng)歷，從阻尼繞組設(shè)計(jì)、定子槽數(shù)及氣隙設(shè)計(jì)、齒諧涉及斜槽設(shè)計(jì)、阻尼系統(tǒng)損耗、電磁振動(dòng)等方面綜合分析問題所在，并提出解決方案。關(guān)鍵詞：飛來峽發(fā)電機(jī)組磁極阻尼條諧波振動(dòng)電蝕前言飛來峽機(jī)組是由奧地利的依林ELIN和奧鋼聯(lián)E合作消費(fèi)的貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，電廠裝機(jī)為4臺(tái)35.5，分別于99年7、8、9投入運(yùn)行。01年11月，在對(duì)2#發(fā)電機(jī)進(jìn)展第二次方案性檢修中，發(fā)現(xiàn)全部72個(gè)磁極中有10

2、個(gè)磁極都出現(xiàn)第三根阻尼條旋轉(zhuǎn)方向最后一根的中部熔斷的嚴(yán)重現(xiàn)象。我們立即對(duì)1#、3#、4#機(jī)進(jìn)展了檢查，也發(fā)現(xiàn)第三根阻尼條均有過熱現(xiàn)象；再檢查發(fā)電機(jī)的保護(hù)，結(jié)果說明保護(hù)整定值均符合廠家的要求，未出現(xiàn)變值和誤動(dòng)作情況；全面檢查一年來的運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)，也未發(fā)現(xiàn)負(fù)序及失磁保護(hù)動(dòng)作，機(jī)組在運(yùn)行過程中也沒有出現(xiàn)過三相不平衡及短路現(xiàn)象。飛來峽發(fā)電機(jī)組的阻尼條熔斷事故規(guī)律性強(qiáng)，特征典型，筆者曾主設(shè)過燈泡式水輪發(fā)電機(jī)，現(xiàn)結(jié)合我局會(huì)同有關(guān)設(shè)計(jì)單位的計(jì)算提出掘見，愿此分析不僅有助于飛來峽發(fā)電機(jī)組詳細(xì)事故的處理，同時(shí)對(duì)其它電站類似問題處理及貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)也具有借鑒作用。發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)有關(guān)電磁參數(shù)發(fā)電機(jī)型號(hào)：Sv7

3、25/72-183，燈泡貫流式機(jī)組額定出力：39.0VA額定電壓：10.5kV5%額定電流：2144.4A額定頻率：50Hz飛逸轉(zhuǎn)速：265.0rp額定轉(zhuǎn)速：83.3rp額定功率因數(shù)：0.9勵(lì)磁電壓:163.8V勵(lì)磁電流:1079.0A短路勵(lì)磁電流:561.7A空載勵(lì)磁電流:580.4A定子：槽數(shù)Z1=324鐵芯內(nèi)徑D1=736槽距t1=71槽寬bn=26阻尼條：3*16阻尼孔距t2=64.1單邊氣隙=92機(jī)組磁極故障情況在01年11月對(duì)2#發(fā)電機(jī)進(jìn)展第二次方案性檢修中，發(fā)現(xiàn)一臺(tái)機(jī)的全部72個(gè)磁極中，有10個(gè)磁極出現(xiàn)第三根阻尼條中部熔斷見圖1，大部分阻尼條都出現(xiàn)斷裂，槽口撐破，斷裂主要從阻尼導(dǎo)

4、體軸向的中部開場(chǎng)，阻尼條擠出槽口后，在氣隙中擠壓變形，甚至有些甩出，即使未斷裂的阻尼條也已明顯可見從槽口處變形凸起呈吐舌狀；其余磁極的阻尼條雖然沒有熔斷，但也有多處過熱現(xiàn)象，所有磁極的過熱程度均以順旋轉(zhuǎn)方向第三根最后一根最為嚴(yán)重。我們即時(shí)對(duì)另外對(duì)1#、3#、4#發(fā)電機(jī)的磁極進(jìn)展的仔細(xì)檢查，雖未發(fā)現(xiàn)有銅塊掉落的現(xiàn)象，但對(duì)各拔出的兩個(gè)對(duì)稱磁極進(jìn)展檢查中，都發(fā)現(xiàn)第三根阻尼條處均有過熱現(xiàn)象，說明存在潛在性的缺陷。檢修人員對(duì)2#發(fā)電機(jī)的保護(hù)進(jìn)展了全面檢查，保護(hù)整定值均符合廠家的要求，未出現(xiàn)變值，并且動(dòng)作正確。調(diào)閱一年來的運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)，保護(hù)動(dòng)作記錄未發(fā)現(xiàn)負(fù)序及失磁保護(hù)動(dòng)作，發(fā)電機(jī)負(fù)序電流并沒有超過整定值，

5、或者三相不平衡及短路現(xiàn)象。圖1阻尼條從槽口斷裂、甩出至本文撰寫即03年3月，1#、3#機(jī)組的阻尼條也熔斷，各機(jī)組到出現(xiàn)問題的運(yùn)行時(shí)間分別為：1#機(jī)1.98、2#機(jī)1.2、3#機(jī)1.7萬小時(shí)。3原因分析由于飛來峽機(jī)組的阻尼條熔斷臺(tái)機(jī)類似，屬于典型、規(guī)律性的案例，所以我們從根本電磁方案設(shè)計(jì)和電磁場(chǎng)理論入手分析討論。3.1阻尼繞組設(shè)計(jì)飛來峽機(jī)組定子為324槽，槽距為71，轉(zhuǎn)子每極阻尼為3根，槽距為64.1，槽配合t2/t1=0.90。t2/t1的大小影響氣隙諧波，按國內(nèi)設(shè)計(jì)經(jīng)歷一般選在0.720.85。假設(shè)氣隙均勻，對(duì)定、轉(zhuǎn)子不同槽配合情況下的磁導(dǎo)諧波進(jìn)展分析。通過數(shù)值計(jì)算說明，t2/t1在接近于1

6、和0.5時(shí)，磁導(dǎo)波形畸變率都將增大見表1。表1定轉(zhuǎn)子槽距比對(duì)波形畸變率的影響定轉(zhuǎn)子槽距比t2/t11.00.590.5磁密波形畸變率vp(%)5.6673.9933.8653.7845.2695.6653.2定子槽數(shù)及氣隙設(shè)計(jì)圖2空載磁場(chǎng)分布圖3負(fù)載磁場(chǎng)分布通常情況下，電機(jī)氣隙大小的選擇對(duì)磁場(chǎng)的諧波情況影響很大。定子的磁勢(shì)諧波與磁導(dǎo)諧波，經(jīng)過氣隙將迅速衰減，通常的設(shè)計(jì)齲當(dāng)氣隙較大時(shí)，定子諧波傳到轉(zhuǎn)子時(shí)，經(jīng)衰減變得很校飛來峽機(jī)組的=2.9,上圖2、圖3分別是經(jīng)有限元計(jì)算得出的空載和負(fù)載的磁場(chǎng)分布，由此可見由于定了氣隙偏小，因此到達(dá)轉(zhuǎn)子的定子諧波仍然較大。3.3齒諧涉及斜槽設(shè)計(jì)磁

7、勢(shì)諧波波譜中不僅有奇數(shù)次諧波，而且有偶數(shù)次諧波其中影響最大的為齒諧波。偶數(shù)次諧波不會(huì)在定子繞組中產(chǎn)生電勢(shì)，但卻會(huì)在轉(zhuǎn)子繞組和鐵心中產(chǎn)生損耗，增加發(fā)熱，并引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與振動(dòng)。磁勢(shì)諧波分析的結(jié)果如圖4所示，可見選擇一個(gè)槽距的斜槽位移可以最大限度地抑制磁勢(shì)齒諧波。飛來峽機(jī)組定子每極每相槽數(shù)為、線棒斜半個(gè)槽距，其一階齒諧波幅值較大。圖4各次諧波磁勢(shì)幅值的分布圖%3.4阻尼系統(tǒng)損耗計(jì)算采用瞬變電磁場(chǎng)的方法，對(duì)飛來峽機(jī)組運(yùn)行過程中的轉(zhuǎn)子阻尼繞組損耗計(jì)算，從見表2的結(jié)果可見第三條阻尼條其排列見圖5的諧波損耗很高。表2阻尼條損耗計(jì)算結(jié)果阻尼條號(hào)123p()1912281709圖5阻尼條編號(hào)示意圖圖6電磁力與離

8、心力的關(guān)系示意圖3.5電磁振動(dòng)分析1)負(fù)序磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生100Hz的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，引起200Hz頻率的電磁振動(dòng)，但飛來峽機(jī)組運(yùn)行記錄未出現(xiàn)負(fù)序電流過大的情況；2)阻尼條諧波電流引起的高頻振動(dòng)。當(dāng)阻尼條諧波電流較大，而貫流式機(jī)組的轉(zhuǎn)子直徑較小，會(huì)產(chǎn)生的阻尼條振動(dòng)；3)諧波磁場(chǎng)如5次與7次諧波在轉(zhuǎn)子上感生300Hz頻率的磁場(chǎng)，并產(chǎn)生600Hz頻率的電磁振動(dòng)。這些振動(dòng)都可能造成阻尼系統(tǒng)的損傷。用有限元對(duì)飛來峽機(jī)組阻尼條電磁力計(jì)算結(jié)果如表3所示。在額定運(yùn)行情況下，阻尼條離心力的計(jì)算結(jié)果為640N，可見第三根阻尼條的電磁力遠(yuǎn)大于離心力，這樣就造成了第三根阻尼條在運(yùn)行時(shí)的劇烈振動(dòng)見圖6。表3阻尼系統(tǒng)電磁力分

9、析阻尼條123徑向電磁力最大值N105851241電磁力與離心力之比44綜合分析及改良措施討論4.1綜合分析圖7阻尼條溫度計(jì)算結(jié)果采用ANSYS計(jì)算說明飛來峽機(jī)組正常額定運(yùn)行時(shí)，阻尼條溫度為171183，這缺乏以造成如此事故；主要原因是阻尼條與其孔壁因振動(dòng)而引起放電打火，由此產(chǎn)生部分高溫，使導(dǎo)條材質(zhì)變軟、鐵心強(qiáng)度變?nèi)?，造成阻尼條在離心力的作用下沖破槽口進(jìn)入氣隙，即是電蝕所致放電侵蝕，不同于電腐蝕，如圖8所示。4.2改良措施根據(jù)以上分析結(jié)果，雖然改造定子是最理想的，但從經(jīng)濟(jì)性和時(shí)間等綜合考慮，提出阻尼系統(tǒng)改良措施如下：1)增加阻尼條直徑，一方面降低阻尼條的電流密度，另一方面

10、可以使阻尼條的離心力增大，從而克制電磁力引起的電磁振動(dòng)；2)降低阻尼條節(jié)距改善槽配合，以減小電機(jī)的磁導(dǎo)諧波，降低阻尼條電流；3)加大電機(jī)的氣隙，以抑制定子諧波磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子的影響。4)減小阻尼條與阻尼條孔之間的配合間隙，可抑制和減小阻尼條上存在的電磁振動(dòng)。5完畢語機(jī)組阻尼條斷裂事件除在飛來峽外，還在湖南凌津?yàn)┤樟?9年1月、廣西貴港ABB02年3月發(fā)生過，最為嚴(yán)重的也都是沿旋轉(zhuǎn)方向的最后一根。飛來峽水利樞紐管理局與奧地利ELIN公司，于02年6月進(jìn)展的會(huì)談，共同分析了機(jī)組阻尼條熔斷原因，并就解決問題的措施及此事件問題在制造廠家的設(shè)計(jì)、且在質(zhì)保期內(nèi)，機(jī)組改造處理由廠家全部負(fù)責(zé)等達(dá)成共識(shí)。現(xiàn)飛來峽機(jī)組

11、的處理方案為改造磁極：槽配合t2/t1的取值由0.9改為0.85，阻尼條由16改為18，定子單邊氣隙從9增加到11，采用預(yù)制波浪式的阻尼條、并在阻尼條與孔之間墊NEX絕緣紙。飛來峽2#機(jī)組的改造和試驗(yàn)已于03年1月底完成，磁極改造后機(jī)組試驗(yàn)結(jié)果令人滿意、各部溫度明顯改善，至此運(yùn)行情況良好，1、3#機(jī)的改造正在進(jìn)展，所有機(jī)組的改造工作將于年底前完成。參考文獻(xiàn)：1白延年水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)械工業(yè)出版社1982年2湯蘊(yùn)電機(jī)內(nèi)的電磁沉科學(xué)出版社1981年3SunYutian,etal.ThealulatinfEFavefrfsynhrnusahinesbytiedependentfieldsiulatin.Eletragnetifieldprblesandappliatins(IEF96.18).InternatinalAadeiPublisher.1996.SynthetiAnalyzingfDapBarBreaking【Suary】:Thisarti