稅航偉，董江偉，薛化冰，王正平，王玉芳

(1.山東濟(jì)南發(fā)電設(shè)備廠有限公司，山東濟(jì)南 250100;2.山東英才學(xué)院，山東濟(jì)南 250104)

0 引言

汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈中的附加損耗通常有兩種類型。一種是集膚效應(yīng)附加損耗，該損耗產(chǎn)生在線圈各股線內(nèi)部。采用減薄股線厚度的方法可以減少這種擠流附加損耗［1］。另一種是環(huán)流附加損耗。由于定子線圈各并聯(lián)股線在不同的磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)不同，因而在并聯(lián)股線回路中形成感應(yīng)電勢(shì)差。這就產(chǎn)生了循環(huán)電流造成的附加損耗。股線換位技術(shù)可以縮小并聯(lián)股線間電勢(shì)差，從而減少環(huán)流附加損耗。

換位技術(shù)是大中型汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過(guò)股線的換位，可減少線圈并聯(lián)股線環(huán)流附加損耗對(duì)定子線棒溫升的不利影響。

1 股線電勢(shì)圖

股線電勢(shì)圖法是分析并聯(lián)股線回路電勢(shì)的有效方法，與計(jì)算機(jī)有限元輔助分析法比較，結(jié)果一致且簡(jiǎn)單方便。

股線電勢(shì)圖分析法中，定子線圈槽部和端部所處位置的磁場(chǎng)都可大體分為:徑向磁場(chǎng)(Br)、橫向自感磁場(chǎng)(Be)、橫向互感磁場(chǎng)(Bf)。各磁場(chǎng)分量都在相應(yīng)部位的股線里產(chǎn)生感生電勢(shì)。

本文以兩排導(dǎo)線線圈為例說(shuō)明股線電勢(shì)圖。首先按比例畫(huà)出換位線棒的高度及長(zhǎng)度。在每排中任選一根股線，畫(huà)出股線的實(shí)際位置圖。然后把任意兩根股線形成的大回路看做由數(shù)個(gè)小回路組成。分析時(shí)用箭頭示意出大回路的走向。當(dāng)小回路中由各磁場(chǎng)分量感生的電勢(shì)的方向和回路方向一致時(shí)，感生電勢(shì)的方向取“+”;當(dāng)小回路感生電勢(shì)的方向和回路方向相反時(shí)，感生電的方向取“-”。各小回路面積的大小代表了小回路感應(yīng)電勢(shì)的大小。這些小回路電勢(shì)的合成即為股線回路電勢(shì)。

2 股線電勢(shì)圖法對(duì)典型換位方式股線回路電勢(shì)的分析

2.1 槽部360°換位，端部不換位(0°/360°/0°)

從圖1的股線電勢(shì)圖可知，Br在端部產(chǎn)生的電勢(shì)不能抵消;Be在端部感生的電勢(shì)不能抵消;Bf在端部產(chǎn)生的電勢(shì)不能抵消。

圖1 槽部360°換位端部不換位的線圈股線電勢(shì)圖

2.2 槽部540°換位，端部不換位(0°/540°/0°)

從圖2的股線電勢(shì)圖可知，Br在端部產(chǎn)生的電勢(shì)部分抵消;Be在端部感生的電勢(shì)被抵消;Bf在端部產(chǎn)生的電勢(shì)部分抵消。

2.3 槽部360°換位，端部換位90°(90°/360°/90°)

從圖3的股線電勢(shì)圖可知，Br在端部產(chǎn)生的電勢(shì)被抵消;Be在端部感生的電勢(shì)不能抵消;Bf在端部產(chǎn)生的電勢(shì)被抵消。

圖3 槽部360°換位加端部90°換位的線圈股線電勢(shì)圖

2.4 槽部360°換位，端部換位180°(180°/360°/180°)

從圖4的股線電勢(shì)圖可知，Br在端部產(chǎn)生的電勢(shì)部分抵消;Be在端部感生的電勢(shì)被抵消;Bf在端部產(chǎn)生的電勢(shì)部分抵消。

圖4 槽部360°換位加端部180°換位的線圈股線電勢(shì)圖

2.5 槽部 540°換位，端部換位 ±180°(+180°/540°/-180°)

從圖5的股線電勢(shì)圖可知，Br在端部產(chǎn)生的電勢(shì)被抵消;Be在端部感生的電勢(shì)被抵消;Bf在端部產(chǎn)生的電勢(shì)被抵消。

圖5 槽部540°換位加端部±180°換位的線圈股線電勢(shì)圖

2.6 槽部540°換位加90°、270°處空換位

從圖6的股線電勢(shì)圖可知，Br在端部產(chǎn)生的電勢(shì)被抵消;Be在端部感生的電勢(shì)被大部分抵消;Bf在端部產(chǎn)生的電勢(shì)被抵消。

圖6 槽部540°換位加90°、270°空換位的線圈股線電勢(shì)圖

綜上分析，不同的換位方式的線圈中各種磁場(chǎng)所感生電勢(shì)的抵消情況可匯總?cè)绫恚?］。

表1 線圈中各種磁場(chǎng)感生的電勢(shì)

從而可以看出，從感生電勢(shì)抵消的情況來(lái)看，槽部540°換位且端部換位±180°的換位方式最為理想。各磁場(chǎng)分量的作用都能被完全抵消，股線之間沒(méi)有電勢(shì)差，完全消除了循環(huán)電流附加損耗。但是這種換位方式，結(jié)構(gòu)和工藝都很復(fù)雜，如果電機(jī)的定子鐵心和線圈端部較短時(shí)采用這種換位較為困難。

0°/360°/0°換位方式的線圈，對(duì)端部磁場(chǎng)分量的抵消程度最差。但這種線圈換位節(jié)距大，在結(jié)構(gòu)和工藝上最簡(jiǎn)單。因而在中小型汽輪發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)、大容量的同步調(diào)相機(jī)上廣泛應(yīng)用。

0°/540°/0°換位方式的線圈，結(jié)構(gòu)工藝稍復(fù)雜但端部不需要換位。該種換位型式的線圈除了端部橫向自感磁場(chǎng)沒(méi)有被完全抵消外，其余磁場(chǎng)分量的作用全部被抵消了，在大型汽輪發(fā)電機(jī)上應(yīng)用較廣。

3 定子線圈換位設(shè)計(jì)(兩排線圈360°換位為例)

定子線圈換位設(shè)計(jì)主要涉及以下幾個(gè)參數(shù)的確定(如圖7、圖8所示)。

圖7 換位參數(shù)示意

圖8 換位參數(shù)示意

其中:m為每排參與換位股線數(shù)。換位長(zhǎng)度L根據(jù)鐵心長(zhǎng)度確定。換位節(jié)距T=L/(2m-1)。股線兩S彎的距離，根據(jù)文獻(xiàn)介紹及換位設(shè)計(jì)，基本上都取A=m×T。但筆者在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中發(fā)現(xiàn)在換位股數(shù)多、長(zhǎng)度大、度數(shù)大、端部換位等較復(fù)雜情況下，這種取值會(huì)產(chǎn)生較大的積累誤差。該誤差會(huì)使成品線圈換位段位置控制尺寸偏差較大且編織后期換位節(jié)距難以保證，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致?lián)Q位編織無(wú)法最終完成而產(chǎn)生廢品。因此，筆者認(rèn)為要消除積累誤差的影響，在設(shè)計(jì)大型復(fù)雜換位的定子線圈時(shí)，每一步換位時(shí)股線每相鄰的兩S彎的距離應(yīng)都取A=;對(duì)于S彎的長(zhǎng)度t為了使股線換位編織更容易進(jìn)行減小股線絕緣破裂的可能，一般取t≤0.6T;S彎的壓深尺寸一般比股線寬度尺寸大約0.5 mm［1］。股線壓彎半徑一般根據(jù)股線寬度取5～20 mm。

4 結(jié)語(yǔ)

為了滿足大容量機(jī)組安全運(yùn)行的需要，各制造廠家也在不斷地嘗試各種換位型式以求降低環(huán)流附加損耗的不利影響。本文針對(duì)定子線圈換位技術(shù)，介紹了一種實(shí)用、簡(jiǎn)單、有效、準(zhǔn)確的分析方法。結(jié)合作者的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，介紹了線圈換位設(shè)計(jì)及注意事項(xiàng)，對(duì)大中型汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈的設(shè)計(jì)工作有一定的的參考、應(yīng)用價(jià)值。

［1］汪耕，陳希明.大型汽輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)、制造與運(yùn)行［M］.上海:上海海洋科學(xué)技術(shù)出版社，2000.