空心股线堵塞程度对发电机定子线棒温度场的影响

第２９卷第４期　２０１３年８月　上海电　力　学　院　学报　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｖｏ１．２９．ＮＯ．４　

Ａｕｇ．　２０１３　

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—４７２９．２０１３．０４．００５　

空心　股线堵塞程度对发电机定子　线棒温度场的影响　

雷一鸣　，张莉　（１．上海电力学院，上海２０００９０；２．阳江核电有限公司，广东阳江５２９５００）　摘要：在建立发电机定子线棒温度场计算模型的基础上，以某台６００　ＭＷ发电机的定子下层线棒为研究对　象，计算了线棒内某根空心股线发生部分堵塞时的温度场分布．结果表明，空心股线堵塞会不同程度地影响定　子线棒的温度分布；线棒的温度与空心股线的堵塞程度有关；而对线棒的某些位置来说，其温度并不是随着堵　塞系数的增大而升高的．　

关键词：空心股线；堵塞；发电机定子线棒；温度场　中图分类号：ＴＭ３１１　文献标志码：Ａ　文章编号：１００６—４７２９（２０１３）０４－０３２５—０５　

Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｐａｒｔｉａｌ　Ｂｌｏｃｋｓ　ｏｎ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｆｉｅｌｄ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕ－　ｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｈｏｌｌｏｗ　Ｓｔｒａｎｄｓ　ｉｎ　Ｔｕｒｂｏ－ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　Ｓｔａｔｏｒ　Ｂａｒ　

ＬＥＩ　Ｙｉｍｉｎｇ　，ＺＨＡＮＧ　Ｌｉ　（１．Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００９０，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｙａｎｇ］ｉａｎｇ　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｙａｎｇｆｉａｎｇ　５２９５００，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｔｒａｉｌｓｆｅｒ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｓｔａｔｏｒ　ｂａｒｓ，ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ．ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｓｔａｔｏｒ　ｂａｒ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ．　Ａｓ　ｔｈｅ　ｏｂｊｅｃｔ　ｏｆ　ｓｔｕｄｙ．ｔｈｅ　ｌｏｗｅｒ　ｂａｒ　ｏｆ　ｏｎｅ　６００　Ｍｗ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｓｔａｔｏｒ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｏ　ｏｂｔａｉｎ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｈｏｌｌｏｗ　ｓｔｒａｎｄｓ　ａｒｅ　ｐａｒｔｌｙ　ｂｌｏｃｋｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｈｏｌｌｏｗ　ｓｔｒａｎｄｓ　ａｒｅ　ｂｌｏｃｋｅｄ，ｔｈｅ　ｓｔａｔｏｒ　ｂａｒ’Ｓ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｉｓ　ａｆｆｅｃｔｅｄ　ｔｏ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｅｘｔｅｎｔｓ．　Ｖ　ｔｈ　ｔｈｅ　ｂｌｏｃｋａｇｅ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ．ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｏｒ　ｂａｒ　ｒｉｓｅｓ　ｗｈｅｎ　ｏｎｅ　ｈｏｌｌｏｗ　ｓｔｒａｎｄ　ｉｓ　ｐａｒｔｌｙ　ｂｌｏｃｋｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｏｌｌｏｗ　ｓｔｒａｎｄ；ｂｌｏｃｋ；ｔｕｒｂｏ—ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｓｔａｔｏｒ　ｂａｒ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ　

大型发电机是发电厂的核心设备之一，所担　负的安全责任巨大．目前，发电机存在的主要问题　是定子“超温”，这种超温现象随着发电机容量的　增大而越来越明显，给发电厂的稳定运行带来较　

大的安全隐患．　引起定子超温的主要原因是由于发电机定子　线棒空心股线的堵塞，导致发电机运行时产生的　热量无法被及时带走…．而外部引入异物、气堵　

收稿日期：２０１２—０７—０９　通讯作者简介：张莉（１９７３一），女，博士，教授，河南商丘人．主要研究方向为大型发电机的发热分析与计算，以及　热力设备的流动和传热分析等．Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｌｉ＠ｓｈｉｅｐ．ｅｄｕ．ｃｎ．　基金项目：上海市教育委员会重点学科（Ｊ５１３０４）．　３２６　上海电力学院学报　２０１３仨　和汽堵、或铜线的腐蚀产物等都是造成空心股线　堵塞的常见原因　４。．当发生堵塞情况时，空心股　线的冷却水流通面积就会减小，致使冷却水流量　下降，定子线棒温度随之升高．当然，空心股线堵　塞的程度不同，对定子线棒内温度场分布的影响　也会不同．在当前的温度监测技术还无法提供线　棒详细温度场分布的情况下　，采用数值计算的　方法分析空心股线的堵塞程度对定子线棒温度场　的影响，对于帮助设计、运行人员了解定子线棒内　的温度分布状况，从而对发电机的设计制造、在线　监测、过热检测和空心股线堵塞的早期诊断都是　十分必要的．本文主要讨论单根空心股线不同程　度堵塞时对定子线棒温度场分布的影响．　

１　定子线棒的物理和传热模型　１．１定子线棒的物理模型　水内冷汽轮发电机定子线棒是由空心铜导线　和实心铜导线组合排列而成，铜导线问通过股间　绝缘、排间绝缘和主绝缘达到绝缘目的．在发电机　工作时，电流流过铜股线产生损耗，以发热的形式　表现出来．与此同时，绝大部分的热损被空心股线　中流过的冷却水带走．此外，随着空心股线内冷却　水的温度变化，沿着轴线方向上的定子线棒的温　度也在变化．　

１．２定子线棒的传热模型　为了便于求解，在建立线棒的传热模型时，作　如下假定：　（１）空心股线未堵塞时，冷却水对空心股线　的冷却可视为第３类边界条件，但当空心股线因　堵塞导致冷却水无法流通时，在空心股线内边界　上的第３类边界条件转化成内部区域；　（２）忽略主绝缘边界的散热，假定为绝热　边界；　（３）忽略线棒端部的散热，假设线棒的两个　轴向端面绝热；　（４）忽略定子线棒股线间的罗贝尔换位；　（５）认为涡流效应对每根股线的影ｎｉｎｔｈ同．　结合定子线棒的物理模型，根据传热学知　识¨　，当发电机稳定在某一个工况下运行时，定　子线棒内温度场的求解问题是一个带内热源、四　周绝热、内部包含第３类边界条件的三维稳态导　

热问题，求解定子线棒三维稳态温度场的数学模　型为　．　

＋蜜＋　＋　＝０Ｏｘ　Ｏｙ　Ｏｚ　—　＋—　＋——　＋上＝　‘　‘　‘　Ａ　

Ａ乳＝。　㈩　

Ａ乳＝一ｈｉ（Ｔ－　）　式中：　定子线棒温度；　Ａ——不同材质物体的导热系数；　——铜心股线上的热源强度；　Ｓ．——主绝缘的外边界；　

——空心股线的内边界；　ｄ　ａ　——沿边界法向的温度变化率　

２计算对象及计算模型的确定　

２．１计算对象的各项数值　选取某６００　Ｍｗ发电机定子绕组中的１根下　层线棒作为研究对象．该定子线棒由１６根空心铜　导线和３２根实心铜导线组成，分为４排，每排又　分为４组，每组由１根空心铜导线和２根实心铜　导线组成．空心线按４×４排列，尺寸为４．７　ｍｎ３×　７．５　ｍｍ，壁厚１．３５　ｍｍ，实心线按４×８排列，尺　寸为２．２４　ｒｎｉＹｌ　ｘ　７．５　ｍｍ，轴向长度６．３　ｍ．该型号　发电机的额定值如表１所示．　

表１某６００　Ｍｗ汽轮发电机的额定值　

２．２计算模型中的有关参数　（１）内热源发电机内的热源包括电机运行　时产生的机械损耗、电损耗、磁损耗，以及各种附　加损耗等，对其温度分布影响起主要作用的是电　损耗．电损耗是由电流流过定子线棒时产生的，即　定子线棒的铜损耗．　（２）空心股线内冷却水流量根据流体力学　中的并联管路理论，当空心股线通流正常时，总进　水管流入的冷却水总流量在所有空心股线中平均　分配．当某根空心股线完全堵塞时，并联的冷却水　路数目减少，冷却水流量在剩余未被堵塞的空心　股线中平均分配．当某根空心股线部分堵塞时，堵　塞的空心股线中的冷却水流量根据堵塞程度会相　３２８　上海电力学院学报　和分析，计算中涉及的参数如表２所示．　图５为位于发生部分堵塞的Ｂ　空心股线中　某点的温度．由图５可以看出，空心股线部分堵　塞时，线棒的温度与空心股线的堵塞程度有关，　即与空心股线的堵塞系数有关．堵塞系数越大，　温度越高．空心股线发生部分堵塞时，冷却水可　以在股线内流动，此时仍能发生对流换热，具备　

一定的冷却能力，因此该股线温度略有升高．一　旦完全堵塞，该股线的温度急剧升高２０℃，并　烧坏相邻绝缘．　

表２　Ｂ：空心股线部分堵塞时的相关参数　

注：　一堵塞系数，空心股线部分堵塞时的堵塞面积与原通流　面积之比；　一堵塞时的流动阻力系数．　

图５堵塞程度不同时Ｂ　空心股线中某点的温度　图６为不同堵塞系数下Ｂ：空心股线中最热　点的温差．由图６可知，堵塞系数从０．６增大到　０．７时，该空心股线的最高温度的增长速率变大．　这是由于堵塞空心股线内水的局部阻力系数从　８７增加到３０９，导致换热系数减小，空心股线内冷　却水的换热能力开始急剧下降．因此，要密切监视　各检温计的数值变化，在温升有小幅提高的时候　进行重点监控，以防止空心股线的堵塞系数增大　到０．７，造成不必要的经济损失．　

图７为与发生部分堵塞的空心股线相邻的实　心股线的温度变化．　

图６不同堵塞系数下Ｂ：中最热点的温差　由图７可知，发生堵塞时，该实心股线温度升　高，且温升与堵塞程度有关．当堵塞系数为０．７　时，该实心股线温度比正常情况高５℃．通过对其　他数据的研究发现，当主绝缘附近的空心股线发　生部分堵塞时，其本身温升较高．当空心股线发生　部分堵塞时，定子线棒中的水路流通受到影响，管　内冷却水流速降低，散热能力下降，迫使内热源产　生的部分热量传递给冷却水，以及临近的绝缘材　料和实心股线，加速了绝缘的老化，影响了实心股　线的温升，严重时还会烧坏绝缘，引发定子线棒短　路等故障，甚至危及铁心，造成巨大的经济损失．　

７５　７Ｏ　ｐ　６５　＼　６０　

５５　５０　０　ｌ　２　３　４　５　６　ｚｈ／ｍ　

图７　Ｂ　堵塞程度不同时相邻实心股线的温度分布　图８为不同程度堵塞系数下主绝缘最热点的　温差．　

图８不同程度堵塞系数下主绝缘最热点的温差