300 Mvar空冷调相机定子铁心设计中的关键技术

理论与设计300 Mvar空冷调相机定子铁心设计中的关键技术
赵忠磊李朝科李积霞肖翦
东方电气集团东方电机有限公司（618000 )
Key Technology in the Design of Stator Core of 300 Mvar Air-cooled Condenser
ZHAO Zhonglei LI Chaoke LI Jixia XIAO Jian
Dongfang Electric Machinery Co.,Ltd.
摘要：同步调相机对快速动态无功调节和短时过载能力的特殊要求，决定了调相机定子铁心设计与普通发电机铁心设计的侧重点不同。

文章阐述了300 M var隐极空冷调相机定子铁心设计中的关键技术，旨在为后续同类产品的设计提供参考。

关键词：调相机定子铁心温升过电压进相
中图分类号：TM303文献标识码：A
DOI编码：10.3969/j.issn.l006_2807.2020.04.003
Abstract:Special requirements of fast dynamic reac­tive power regulation and short-time overload capability of the synchronous condenser determine that its stator core de­sign defers from that of ordinary generator. Key technology is adopted during designing the stator core of the 300 Mvar air-cooled hidden-pole condenser, in purpose of providing reference for the subsequent design for the similar products.
Keywords:condenser stator core temperature rise over voltage leading phase
随着大容量、远距离特高压直流输电技术的推广应用，为解决系统故障期间的动态无功支撑问题，大容量快速动态响应调相机已被逐步应用到电力系统中。

由于隐极空冷调相机运行 可靠性较高，且便于安装、调试和起停，已成为 300 Mvar级调相机的主力机型。

定子铁心是调相机中最关键的结构部件之 一，其作用是使调相机总磁通获得低磁阻的磁路，同时固定定子绕组。

定子铁心不仅是磁路的 一部分，而且也是良好的电导体，因此主破通会 在定子铁心中产生磁滞损耗和涡流损耗m。

定子铁心由扇形冲片叠压而成，并沿轴向由通风槽钢 分隔成若干段，段与段之间形成径向风道。

铁心 两端的压圈通过定位筋用螺帽压紧，保证片间有 足够的压力，使铁心具有一定的刚度。

定子铁心 端部结构如图1所示。

图1定子铁心端部结构
1 降低定子铁心温升
1.1铁心风区布置
300 M var空冷调相机设计的关键技术之一 是通风系统的选择及定、转子最高温升的控制。

国网调相机技术规范中规定：“调相机定子绕组 应能承受3.5倍额定电流持续时间不小于15 s;转 子绕组应能承受2.5倍额定励磁电流持续时间不 小于15 s”。

为符合这一要求，经多方案反复论证 后，确定定子采用全径向、多风区冷却系统。

为改 善定子线棒轴向传热，将定子铁心分为多个冷、热风区，在对多次通风计算结果进行对比后确定 各风区长度，着重控制热风区定子线棒的温升。

这种结构在我公司大型空冷发电机上有成功的
《电机技本》2020年第4期
-9.
理论与设计 茨i eo^y&
应用实例。

2
1.2铁心端部设计
研究表明，进相运行时端部漏磁较滞相运
行时明显增大，而且随进相深度的增加而增加[2]。

端部铁心因受到漏磁通的影响，其轴向分量在调
相机励磁电流偏低，特别是进相运行时会有所增
加。

考虑到端部漏磁通引起的附加损耗，为防止
温升过高，将铁心端部设计为阶梯式，以分散进
入边段铁心的漏磁通，减少端部涡流损耗，从而
降低铁心温升。

为进一步减少端部铁心的涡流损耗并加强
端部冷却，还在边段铁心扇形片齿部开窄槽。

该
结构在设计时，通过计算确保齿应力满足强度要
求，并保证相邻冲片对应齿处的两个槽的重合度
最小，且两个槽的交点在铁心内部。

这样设计既
可以达到齿上开槽的目的，也能最大限度保证铁
心齿的强度。

铁心压圈、压指使用非（弱）磁性材料，并设
计有单独风路，以保证足够的风量，最大程度地
降低端部结构件的温升。

1.3磁分路结构设计
磁分路（也称磁屏蔽）结构设计是空冷调相
机定子铁心设计过程中的关键。

因调相机进相运
行时，边段铁心齿磁密很高，为研究磁分路齿部
高度对边段铁心磁密的影响，分别计算了在吸收
无功200 M var(深度进相）的工况下，几种不同
磁分路齿部高度（以下简称“齿高”）对应的边段
铁心磁密，如表1所示。

表1不同齿部高度的磁分路磁密计算
磁分路齿高比较项方案1
齿高A
方案2
齿高B
方案3
齿高C
铁心最高磁密/T 1.81 1.75 1.7
磁分路最高磁密/T 1.37 1.86 1.99
铁心背部漏磁/T0.00980.01650.0199
磁分路背部漏磁/T0.02570.22060.0212
由表1可知，磁分路齿高越高，定子边段铁心 齿部磁密越低，铁心背部漏磁越大；磁分路槽底 附近磁密较高，磁分路背部漏磁较小。

因此，在设计时需综合考虑磁分路最高磁密 和铁心背部磁密，来确定磁分路齿部高度。

提高过电压进相运行能力
国网调相机技术规范中规定：“调相机运行 电压偏差±7.5%，频率偏差±4%;调相机应具有1.3倍额定电压下进相持续时间不小于1s的能 力。

”针对这些要求，定子铁心在设计时采取了多 种措施来提高调相机过电压进相运行能力。

限 制调相机进相运行能力的主要因素为端部结构 件温升和端部铁心的过磁通，尤其是后者。

GB/T7064—2017中的温升限值仅适用于额 定电压和额定频率。

当电压和频率发生不同程度 的变化时，会对调相机的机械强度或温升产生影响。

其中，过电压和低频率是最恶劣的情况，这会增加定子铁心及转子绕组的温升。

因此，调 相机在电磁设计上采取低磁密设计，并合理匹配 定、转子长度。

调相机设计进相深度达到-200 Mvar时，进相 运行过程中，其端部漏磁将大幅增加。

为削弱端部 漏磁对定子端部的影响，调相机定子端部设计同时 采用电磁屏蔽技术，即“铜屏蔽+磁屏蔽”结构。

2.1过压进相运行时端部磁场分析
为验证调相机的进相运行能力，通过三维电 磁场瞬态有限元分析，计算调相机在1.3倍额定 电压下进相运行工况时端部铁心磁密和铁心背 部漏磁。

计算结果如图2 ~图7所示。

°0 50 100 150 200 250 300
端部铁心最内W Distance/mm铁心的外端面
图2定子铁心背部漏磁场
图3定子铁心背部漏磁场轴向分量
•10. 2020年第4期《电机技术
》
理论与设计
°0 5 10 T s 20 25~ 30
端部铁心最内脚 Distance/mm铁心的外端面
图4磁分路背部漏磁场
图5磁分路背部漏磁场轴向分量
铁心段数
图6 300 Mvar工况各段铁心轭部磁密最大值
铁心段数
图7 -200 Mvai■工况各段铁心轭部磁密最大值
2.2保证措施
由图2 ~图5可知，边段铁心背部漏磁明显高 于中间段铁心。

为避免由铁心背部漏磁通所可能 引起的放电问题，定位筋与端部铁心之间设置高 强度绝缘，以阻止定位筋间的电势直接作用在端 部铁心上。

由图6和图7可知，端部铁心磁密高于中间段 铁心。

在定位筋与铁心绝缘的情况下，铁心的片间 电压与铁心磁密近似成正比，边段铁心绝缘承受 的片间电压更高，因此应重点加强端部铁心的绝缘，故在边段铁心每段中和磁分路每段两侧设置 绝缘片。

加强通风槽钢两侧及齿压片处的绝缘保 护，阻止通风槽钢和压指电势直接影响硅钢片。

为了尽可能保护定子冲片绝缘，相比常规汽 轮发电机，空冷调相机对端部铁心硅钢片去毛刺 及涂漆的要求更加严格。

应参照核电定子铁心冲 片检验规范进行检查，并在工艺上采取特殊措施进行去毛刺，控制去后的毛刺高度在设计要求 范围之内。

当端部结构件中的漏磁感应电势过大时，可 能导致相邻定子端部结构件间和端部结构件对 就近铁心冲片放电。

因此，须采取措施加强端部 结构件之间的电气连接，如加强压圈与压指接触 面、压圈与定位筋把合面的电气接触。

应将定位 筋与其外圆的箍紧环连接为一体，从而将定位筋 短接，避免定位筋间的电流通过铁心和定位筋，防止对铁心背部放电。

3 试验验证
对调相机进行了型式试验，试验测得额定工 况下定子铁心温升为46.8 K(GB/T7064—2017中规定温升限值<80 1〇。

型式试验中还进行了 3.5倍定子过电流试验 (时长15 s),试验测得定子铁心温升相对额定工 况的增量为0.3 K。

上述试验结果表明，该型调相机定子铁心设 计完全符合国网调相机技术规范的要求，且温升 较低。

型式试验项目还包括了定子铁心振动测试，测得的铁心振动值如表2所示。

试验结果表明定 子铁心紧固结构设计合理，刚性较好。

表2定子铁心振动试验值
试验点通频值50 Hz100 Hz
JB/T10392
-2013
标准要求
额定电压空载状态水平方向23.100.1822.08
倍频
振动值
<50
额定电压空载状态垂直方向22.720.4022.49
额定电流短路状态水平方向9.750.320.85
额定电流短路状态垂直方向 3.74 1.000.91
《电机技水》2020年第4期
.11.
理论与设计
4 结语
通过理论分析和试验验证，可以得到如下结
论：
(1)300 M var空冷调相机定子铁心设计完
全满足规范及标准要求。

(2) 空冷调相机热容量大，过负荷能力强，整体运行安全性高。

(3) 调相机定子铁心结构设计，尤其是“电 磁屏蔽”技术的应用，有效降低了铁心温升。

〇 籲〇 參〇 攀〇_〇»〇•〇»〇_〇•〇_〇«〇
(上接第8页）
式中：〜一参考点的等效应力；
(JS K---部件的静强度；
7ges---总的安全系数。

代入各参数，计算得到：
150.05
等效应力利用度1.7+L63T0.402
等效应力利用度为0.402,小于1，满足静强
度要求。

2.3与传统方法的比较
根据FK M规范的计算原理可知，静强度的
评估准则其实是通过工作应力与允许的静态应
力比值来评判的。

进一步分析发现，允许的静态
应力是部件的屈服强度与安全系数的比值。

这和
常用的评判方法原理是一样，只是在允许的静态
应力的选取上有所不同。

假定安全系数都为1的
情况下，两种方法的计算结果如表5所示。

由于传
统方法直接采用试样的屈服强度，而FK M规范
对此进行了一定的修正，故在相同条件下，依据
FKM规范的计算结果相比传统方法更加可靠。

表5传统方法与FKM计算方法的结果对比
评判方法工作应力
(j/M Pa
屈服强度
aS K/MPa
比值
a s v J a\
传统方法150.05800 5.29 FKM方法150.05611.7 4.04
(4)定子铁心结构设计上采取的“可靠绝 缘”和“良好电气接触”两项措施，可以提高调相 机过电压进相运行能力。

参 考文献
[1] 汪耕.李希明，等.大型汽轮发电机设计、制造与运行[M].上
海：上海科学技术出版社，2012.
[2] 李朝科，李志强，肖翦，等.300 M var调相机端部电磁场三维有
限元分析[J].东方电气评论，2016, 30(3): 19-23.
(收稿日期：2020-03-16)
作者简介：赵忠磊，男，1982年6月生，硕士，机械设计专业，工程 师，现从事汽轮发电机设计工作。

〇 鲁〇 籲〇■〇籲〇 參〇 鲁〇 參〇 鲁〇 攀〇 籲〇 参〇
3 结语
通过对花键轴进行分析，得到以下结论：
(1) 与传统的解析法相比，有限元方法考虑了花键副非线性接触特性和受载不均勻性，得到的花键副的应力更加准确。

(2) 提出了基于FKM规范的花键静强度评估方法，与传统的理论设计相比，本方法更加可靠。

参 考文献
[1] 魏丽宝，刘川.新能源汽车动力电机花键轴设计探讨[J].科研，
2016(7) ： 195-196+198.
[2] 马常亮，杜娟，李善勋，等.某直流发电机外花键非正常磨损故
障分析[C].江西省航空学会结构强度专业学术研讨会.
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(收稿日期：2020-03-16)
作者简介：王亚杰，男，1991年5月生，硕士，工程师，现从事电机结
构设计工作。

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