（东方电气集团东方电机有限公司四川德阳618000）
摘要：当前水轮发电机单机发电容量不断增大，其热负荷以及电磁负荷也越来越大。因此对水轮发电机热应力和温度场的分析研究成为当务之急。水轮发电机产生短路故障后转子磁极热应力交变也更为复杂，研究发现与短路发生位置以及短路匝数之间都存在较大关系。文章分析了大型水轮发电机转子磁极热应力，以期帮助相关工作人员分析水轮发电机匝间短路问题，为优化解决方案提供参考。
关键词：水轮发电机；热应力；电磁损耗
大型水轮发电机往往热负荷较大、磁通密度较高。过高的温度会对绕组造成影响，导致绕组损坏和发电机结构件热应力增加,对机组的运行有着直接影响，当热应力超出合理范围会导致机组安全运行受到威胁。为此对水轮发电机不同工况下热应力与温度分布的研究，能够帮助相关工作人员预测大型水轮发电机热应力对结构的损害程度,方便对其进行优化。对探究大型水轮发电机的散热系统的设计以及排查故障方面具有重要作用。
一、大型水轮发电机电磁建模及温度场分析
（一）水轮发电机的电磁建模
以某大型水轮发电机为例，其发电机参数如表1所示。
大型水轮发电机组有着径向宽度大、轴向高度低的特点，通常我们忽略水轮发电机的机组电磁场顶端效应,沿轴向进行均匀分布则能够将其简化为2D结构模型进行研究。
表1水轮发电机参数
机组周期为对称结构，最小周期的对称数为4个磁极，相对应33个定子绕组与齿槽子。为了达到简化计算增强其仿真精确程度，仅仅只选择这中间最小的单位完成仿真计算。从而建立起周期最小的对称单元的2D仿真电磁分析模型。
（二）边界以及激励设置
水轮发电机模型是电磁分析中最小的单元模型，仅仅占据了全部水轮发电机模型的十六分之一。仿真全模型的电磁特性要在小单元模型的两侧扇形部分增设主从边界，因此在进行仿真边界计算的过程中，主从边界可以使计算的最终结果沿轴自动向周期性进行对称分布。发电机的定子外径设有边界-诺依曼边界,这种边界能够限制电机内部的磁通密度。直流电流对发动机的转子绕组进行激励，其输出端能够使用外接电路进行激励，定子绕组的外接电路可应对两种不同工况。
（三）温度场有关参数的确定
参数确定需要具备诸多条件，首先是温度场的条件。在磁极正下方的界面称之为绝热面。而极靴表面、励磁绕组与迎风面和背风面的边界面能够用于散热。其次是热应力条件，当转子磁极靠近极靴端时极靴端托板不导电以作支撑之用。大型的水轮发电机具有很多热源，为保证计算结果的精确性，定子绕组磁动势的杂散损耗应被考虑进其中。
二、转子绕组匝间短路热应力的计算
（一）短路匝数影响热应力的分布
通常情况来说物体产生热应力的条件主要分为两种，一种是构建内部存在温度分布不均匀的问题，构建内部温度不同会对其相邻部分产生影响，相互间的热胀冷缩作用受到制约，造成热应力产生的问题。另一种是由于在构件与构件之间热膨胀系数的差异，不同的部件是由不同的结构件组合而成的，但每个构件材料热膨胀的系数存在差异的变量不同也会对热应力的产生起到作用。
转子磁极在常规状态下应力分布较为平均，磁极的两端是应力相对较弱的部分，热应力最大的地方在励磁绕组与极靴端的连接处。短路匝四周的正常绕组热应力变化情况是显而易见的，转子磁极在出现短路故障后近处绕组热应力较小，相对较远的绕组热应力会增加。在两者之间的绕组无明显差异。但在鸽尾端的绕组热应力呈现逐渐递减的趋势，与之相对的，在靠近转子磁极的极靴端绕组热应力呈现上涨趋势。短路匝数的对应力分布影响计算情况如图1所示。
（图1）短路时磁极热应力分布
（二）匝间短路位置的不同影响热应力分布
故障位置的差异会影响整体的热应力变化，其他励磁绕组与短路绕组的热应力也会受其影响。故障位置的差异决定了磁极的整体热应力变化情况。当短路故障发生不在同一位置磁极的热应力分布时，短路区域处于极靴端周围，磁极最大热应力会变小，而当短路区域在磁极磁轭处发生时，磁极最大热应力会变大。当短路故障靠近极靴端发生时鸽尾端的热应力会变大，反之在靠近鸽尾端时极靴端附近的热应力也会变大。如图2所示，即短路位置不同其磁极热应力分布状态。
匝间短路的位置产生变化时，短路问题出现在磁极的中部位置，则短路匝的热应力下降的幅度也会随之缩减，反之，则幅度增大。
（图2）短路位置不同时磁极热应力分布
三、热应变与热应力的分析
（一）热应力的计算方式
定子系统产生的电磁损耗会以热量的形式散发，水轮发电机的运行过程经常会出现发热问题，也与此相关。此种情况下造成的温度升高的情况会导致内部结构中零件进行膨胀，产生形变受到周围环境的束缚零件内部出现热应力问题。在水轮发电机的定子系统中发热量与发热源的不同会产生零件表面温度分布不均的情况，除此之外，零件的表面温度分布还与零件表面的散热系数有直接关系。发电机的温度不同，外力与内部相邻的单元间相互约束，内部结构的热膨胀受到制约，自由膨胀受限导致热应力的产生。建立相应的模型将温度场的仿真结果进行导入，能够解出空载状况下热应变与热应力的分布。
计算公式为：
（二）热应力与热应变
将水轮发电机的三维模型与网格划分的导入参数置于温度场中，并将其引入到具体结构中在不同的工况情况下，将水轮发电机的定子机座固定住，使其立筋的上下两部分在地面与支架上固定。为了对其进行更加精准的运算，简化运算过程有效降低计算难度对立筋进行固定约束，使其上下两个端面的设置更为牢固。随后将空载工况与额定负载工况下的约束载入进相应实体之中，由此解出在两种不同的工况条件下定子系统的热变形状况。除此之外，还能够清晰的看出空载热应力以及额定负载与热应力热应变在分布方面能否保持一致。而额定负载在运行的过程中，热应变与热应力的数值要远远高于空载运行，热应力与热应变集中分布与定子铁芯内部，且上部较大，下部较小。这种分布方式和温度在定子铁芯的分布十分相似。
（图3）额定负载工况
（图4）空载工况
四、分析水轮发电机热应力问题的意义
水轮发电机的故障产生受很多因素的影响，短路故障是其产生原因中较为频繁的一种。水轮发电机容量不断提升的同时，热应力问题也更加严重。大型水轮发电机在出现短路故障时转子磁极的温度分布变化较为明显，与此同时，对转子磁极的热应力分布也会产生一定影响。磁极在不均衡的热力影响下匝间短路的问题出现的会更为频繁。机组安全得不到保障，运行过程中会出现各种问题，进而导致水轮发电机无法进行正常运转。因此对发电机热应力问题的分析至关重要。
中国在水轮发电机热应力的研究问题上有待提高，现如今我国电机热应力问题已经被引起重视，但仍处于较为初期的阶段，在具体问题的应用上机会不多。近些年来，有关学者在温度场与热应力的研究方面取得初步成就，为我国水轮发电机热应力问题的研究做出了重要贡献。在大型水轮发电机在运行过程中出现问题，可以通过更加科学的方式进行解决，为其对相关设备检测提供重要的理论指导。
结语
水轮发电机经常会出现转子绕组匝间的短路问题，这种情况在大型的水轮发电机上都曾出现过。当下水轮发电机的单机容量不断得到扩充，带动其内部热应力的变动，此情况应该被引起重视。大型水轮发电机产生短路问题时，短路匝温度会出现变化,磁极的温度也会受到影响，转子磁极的热应力分布也会随之改变。磁极受热应力不均会影响内部系统，造成匝间短路问题，不利于机组的安全运行。
参考文献
[1]李俊卿,王罗,李永刚,沈超.水轮发电机励磁绕组匝间短路转子热应力计算与分析[J].电机与控制应用,2018,45(08):116-123.
[2]李伟力,李金阳,李丹.变截面转子通风沟对全空冷水轮发电机转子温度场和流体场的影响[J].电工技术学报,2017,32(S2):42-49.
[3]寇攀高,李超顺,李如海,魏巍.大型水轮发电机温度场与热应力分析[J].水电能源科学,2017,35(03):163-166.
作者简介
杜芳勉（1975—）女，工学学士，高级工程师，1996年毕业于重庆大学电机专业，主要从事水轮发电机设计工作。
陈珏良（1989-）男，工学学士，工程师，毕业于重庆大学电气工程及自动化专业，主要从事水轮发电机设计工作。