上海大中型电机2010. N o . 1
径向通风、直接冷却发电机转子线圈的电阻计算
毛一忠, 李立军, 胡 磊
1
2
2
(1. 上海电气电站集团; 2. 上海电气电站技术研究与发展中心, 上海 200240)
摘 要:对于径向通风、直接冷却发电机转子线圈的电阻计算, 本文分析了可能产生偏差的原因, 介绍了较为准确的计算方法, 用M a t hcad 编制计算程序, 可方便地计算转子线圈电阻, 供设计人员参考。关键词:直接冷却; 径向通风; 斜流式通风; 转子线圈; 电阻计算
2
1 前言
大、中型汽轮发电机转子绕组广泛采用空气或氢气直接冷却。对于采用转子槽底副槽径向通风冷却, 或气隙取气斜流式通风冷却的转子绕组, 在转子槽内部分的铜线, 一般都设有径向通风孔或斜流通风孔。通风孔呈腰园型, 孔的两端是两个半圆, 中间是一个矩形。在铜线上设通风孔后, 对于转子线圈的电阻, 一般采用在计算全部实心铜线, 即全部无通风孔铜线的电阻后, 乘以一个经验的修正系数来估算。然后, 再在首台发电机制造成功后, 用测得的实际电阻值来替代原先的估算值, 作为正式的发电机参数。这种方法, 在工程上可以取得满意的结果。但是在新设计方案的数据比较中, 采用同一个修正系数并不完全合适, 且最终无法对新设计的发电机转子铜耗, 和转子温升性能进行更准确的计算和判断。
2 电阻计算偏差的原因
在实际计算转子绕组的电阻时, 由于各种因素的存在, 使得电阻计算值与在发电机上测得的实际电阻值, 有一定的偏差。这些因素有:
(1) 转子线圈所采用铜线的导电率
在第一机械工业部1956年出版的电工专业指导性技术文件电指(DZ) 28 1963 汽轮发电机电磁计算公式! 中, 铜线的材料采用当时普遍生产的二号铜(电解韧铜) 。它在15∀时的电阻率为1/57=0. 017543 mm /m, 换算至20∀时, 铜线的电阻率
4
2
为0. 017895 mm /m,导电率仅为96. 34%I ACS 。目前, 随着冶金技术的进步, 在大、中型汽轮发电机中, 转子线圈广泛采用含银约0. 08%~0. 2%的无氧铜制造。在20∀时, 考虑到添加银后, 即使电阻率增加0. 5%~1%, 这种无氧银铜线的导电率理论上还是达到99%以上。实际采用的无氧银铜线导电率, 在20∀时, 实测值一般可高达100%, 即电阻率为1/58=0. 017241 mm /m。采用原来的铜线电阻率。在很大程度上影响了转子线圈电阻计算的准确性。
(2) 大、中型汽轮发电机转子绕组一般都采用每一匝线圈由多根铜线拼焊而成, 焊接对转子线圈电阻有一定的影响。
假设转子铜线每一匝平均长为12000mm, 每一匝铜线有2~8个焊接处, 平均以6个焊接处计算, 每一个焊接处的接缝为0. 1mm, 焊接材料Bag45CuZn 的电阻率为0. 097 mm /m,大约是铜线的6倍。由于焊接处的电阻增加, 相当于转子铜线每一匝平均长度增加到12000+6(6-1) #0. 1=12003mm, 每一匝转子铜线的电阻增加约2. 5/10000, 在实际电磁计算中, 这一增加值可以忽略不计。
(3) 铜线尺寸和四个圆角的公差对转子铜线截面积的影响, 在实际计算中是无法考虑的。一般均以名义尺寸为准。
(4) 对于采用转子槽底副槽径向通风冷却, 或气隙取气斜流式通风冷却的转子绕组, 根据转子铜线损耗和对于转子通风冷却的要求, 每一种型号发
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2
2010. N o . 1径向通风、直接冷却发电机转子线圈的电阻计算
电机的转子绕组, 设置通风孔的尺寸、数量和通风孔之间相隔的距离等都是不相同的。因此采用同一个修正系数是不合适的。
从以上的分析可见, 对于采用转子槽底副槽径向通风冷却, 或气隙取气斜流式通风冷却的转子绕组, 实际计算中真正造成对转子绕组电阻影响的因素是铜线的导电率和修正系数数值。
在开发新发电机或初步设计阶段, 应对转子线圈的电阻有一个较为准确的计算值, 用以较准确地比较每一个设计方案的转子绕组损耗和温升。
3 改进的转子绕组电阻计算的方法
R 2=
下面, 介绍一种对于径向通风冷却转子, 较为准确的转子线圈电阻计算方法, 供发电机设计人员参考。在转子绕组电阻计算中, 对于铜线的导电率, 根据现在实际所采用的无氧银铜线, 可以采用在20∀时, 按理论值99%I A CS 计算, 此时的电阻率为: =1/58#0. 99=1/57. 42=0. 017416 mm /m。
(1) 计算转子线圈每一匝铜线的平均长度L av (2) 铜线截面积(见图1, 无通风孔部分) F cu =AB -0. 86r c u
A 铜线厚度; B 铜线宽度;
r cu 铜
线四个圆角的半径。
图3 通风孔半圆长度的铜线电阻计算
2
2
图2 通风孔尺寸
20∀时的电阻计算:
R 1=
L av -2#n #l
57. 42#F cu
L av 转子线圈每一匝铜线平均长度
(5) 转子线圈每一匝铜线通风孔中间矩形孔部分, 在20∀时的电阻
57. 42#(Fcu -Ab)
(6) 转子线圈每一匝铜线通风孔两端部分, 在20∀时的电阻
a) 每个通风孔一端半圆长度r 内, 在20∀时的电阻计算(见图
3)
在 处的铜线截面积
F =A (B-2r cos ) -0. 86r cu =AB -2Ar cos -0. 86r cu
=(AB -0. 86r cu ) -2A r cos
通风孔半圆长度内, 在20∀时的铜线电阻
图1 铜线截面
2
2
2
(3) 铜线径向通风孔的尺寸(见图2)
b 径向通风孔宽度(b =2r ); l 径向通风孔长度;
r 径向通风孔两端的半圆半径; n 每一槽内, 径向通风孔数。
dl r cos d R r =dR ==2
F (AB-0. 86r cu ) -2Ar cos =
cu
∃2Ar AB -0. 86r
2Ar
2
-cos
AB -0. 86r cu
设E =
2Ar 则可得:
5
(4) 转子线圈每一匝铜线无通风孔部分,
在
R r =0
2A ===
d
2A E -cos E d -2A E -cos !
! d
E -cos
R 1=
=
L av -2#n #l 57. 42#F cu
-3
#10
57. 42#195. 4457. 42#(Fcu -Ab )
-3#10
57. 42#(195. 44-6. 1#5)
=0. 0004903 R 2=
=
E 2A
E -1
tan
-1
-E -1b) 转子线圈每一匝铜线中, 所有通风孔半圆长度r 内, 在20∀时的电阻
R rr =4nR r
(7) 转子线圈每一匝铜线在20∀时的电阻R tu r n =R 1+R 2+R rr
(8) 以上是按每一匝铜线的平均长度计算的电阻, 若计算整个转子绕组在20∀时的电阻值, 只要再乘以转子绕组总的匝数, 便可得到转子绕组在20∀时的电阻值。
对于径向通风冷却转子, 根据以上的方法, 采用M athcad 编制的程序, 可以方便、准确的计算转子线圈电阻。
下面以转子槽底副槽、径向通风冷却的50MW 空冷发电机为例, 采用上述方法, 计算转子线圈的电阻:
A =6. 1mm B =32. 4mm r cu =1. 6mm b =5mm l =20mm r =2. 5mm n =48mm L av =7426. 72mm
F cu =AB -0. 86r =6. 1#32. 4-0. 86#1. 6=195. 44mm
22
cu
2
=0. 00015205
2
AB -0. 86r cu E ==
2A r 2#6. 1#2. 5
2
=6. 407816R r ==E 2A
2E -1
tan
-1
--12
157. 42#2#6. 16. 407816#tan
-1
6. 407816-1
#10-3
-6. 407816-1-7
=2. 54279#10=0. 04882#10
-7
R rr =4nR r =4#48#2. 54279#10
-3
R turn =R 1+R 2+R turn
=0. 4903#10
-3
+0. 15205#10+=0. 69117#10
-
3
-3
-3
0. 04882#10
-3
转子绕组总共有250匝线圈, 在20∀时的电阻:R cu 2=250#0. 69117#10=0. 1728 该计算值与实测值相差仅为0. 5%左右, 已非常准确。
当径向通风冷却转子, 在转子铜线上采用双排腰园通风孔时, 可把双排通风孔简化成只有一端半圆的一个通风孔进行计算, 见图4。
图4 双排腰园通风孔的简化
(下转第38页)
6
3. 6 铁心温度测量元件W ZPT -01热电阻(Q5C421. 1372) 的研制
铁心温度测量元件W ZPT-01热电阻外形尺寸见图14
。
图14 铁心温度测量元件外形尺寸
该元件与总水管测温元件W ZP-SG -4#4#20热电阻结构相似, 不再赘述。
W ZPT -01热电阻精度等级为A 级, 分度号:Pt100; 测量范围:0~200∀。技术参数、试验方法、实测数据见表7。
表7 铁心温度测量元件技术参数
项 目0∀时电阻值/ 100∀时电阻值/ 绝缘电阻/M 耐电压试验拉力试验浸水试验/mi n 跌落试验/m热响应时间∀0. 5/s 1)
标准值100%0. 06138. 51%0. 13
&100
50H z 、1000V 、1m i n
25N 、15s
151. 5(8
试验方法I EC751, JJ G 229I EC751, JJ G 229250V 兆欧表耐压测试仪JJ2671
砝码
样品实测值100. 02138. 52∋通过通过通过通过6. 0
5. 5EP HY M ESS 产品实测值100. 02138. 52∋通过通过
注:1) 在温度阶跃变化时, 温度传感器的输出变化至量程变化的50%所需要的时间称为热响应时间, 用∀0. 5表示。影响∀0. 5
的因素与保护管材料、直径、壁厚有关, 而且还与其结构形式、安装方法、置入深度以及被测介质的流速、种类有关。
4 结语
1000MW 发电机测温元件国产化的工作表明1000MW 发电机用测温元件在功能的完备性、数据
的准确性、可靠性、稳定性、先进性、适可维护性等方面已经达到了国外进口产品的水平, 已经能够满足用户需求, 而在元件的绝缘性能方面已经超越了国外产品。
(上接6页)
对于采用气隙取气斜流式通风冷却的转子绕组, 可把斜流通风孔简化成同样长度的径向腰园通风孔, 并采用上述双排通风孔简化成只有一端半圆的一个通风孔进行计算。
38
4 结语
采用改进的转子绕组电阻计算方法, 电阻计算值和实测值的偏差仅为0. 5%左右, 有足够的精度, 可以满足新产品开发时的需要。
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径向通风、直接冷却发电机转子线圈的电阻计算
毛一忠, 李立军, 胡 磊
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(1. 上海电气电站集团; 2. 上海电气电站技术研究与发展中心, 上海 200240)
摘 要:对于径向通风、直接冷却发电机转子线圈的电阻计算, 本文分析了可能产生偏差的原因, 介绍了较为准确的计算方法, 用M a t hcad 编制计算程序, 可方便地计算转子线圈电阻, 供设计人员参考。关键词:直接冷却; 径向通风; 斜流式通风; 转子线圈; 电阻计算
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1 前言
大、中型汽轮发电机转子绕组广泛采用空气或氢气直接冷却。对于采用转子槽底副槽径向通风冷却, 或气隙取气斜流式通风冷却的转子绕组, 在转子槽内部分的铜线, 一般都设有径向通风孔或斜流通风孔。通风孔呈腰园型, 孔的两端是两个半圆, 中间是一个矩形。在铜线上设通风孔后, 对于转子线圈的电阻, 一般采用在计算全部实心铜线, 即全部无通风孔铜线的电阻后, 乘以一个经验的修正系数来估算。然后, 再在首台发电机制造成功后, 用测得的实际电阻值来替代原先的估算值, 作为正式的发电机参数。这种方法, 在工程上可以取得满意的结果。但是在新设计方案的数据比较中, 采用同一个修正系数并不完全合适, 且最终无法对新设计的发电机转子铜耗, 和转子温升性能进行更准确的计算和判断。
2 电阻计算偏差的原因
在实际计算转子绕组的电阻时, 由于各种因素的存在, 使得电阻计算值与在发电机上测得的实际电阻值, 有一定的偏差。这些因素有:
(1) 转子线圈所采用铜线的导电率
在第一机械工业部1956年出版的电工专业指导性技术文件电指(DZ) 28 1963 汽轮发电机电磁计算公式! 中, 铜线的材料采用当时普遍生产的二号铜(电解韧铜) 。它在15∀时的电阻率为1/57=0. 017543 mm /m, 换算至20∀时, 铜线的电阻率
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为0. 017895 mm /m,导电率仅为96. 34%I ACS 。目前, 随着冶金技术的进步, 在大、中型汽轮发电机中, 转子线圈广泛采用含银约0. 08%~0. 2%的无氧铜制造。在20∀时, 考虑到添加银后, 即使电阻率增加0. 5%~1%, 这种无氧银铜线的导电率理论上还是达到99%以上。实际采用的无氧银铜线导电率, 在20∀时, 实测值一般可高达100%, 即电阻率为1/58=0. 017241 mm /m。采用原来的铜线电阻率。在很大程度上影响了转子线圈电阻计算的准确性。
(2) 大、中型汽轮发电机转子绕组一般都采用每一匝线圈由多根铜线拼焊而成, 焊接对转子线圈电阻有一定的影响。
假设转子铜线每一匝平均长为12000mm, 每一匝铜线有2~8个焊接处, 平均以6个焊接处计算, 每一个焊接处的接缝为0. 1mm, 焊接材料Bag45CuZn 的电阻率为0. 097 mm /m,大约是铜线的6倍。由于焊接处的电阻增加, 相当于转子铜线每一匝平均长度增加到12000+6(6-1) #0. 1=12003mm, 每一匝转子铜线的电阻增加约2. 5/10000, 在实际电磁计算中, 这一增加值可以忽略不计。
(3) 铜线尺寸和四个圆角的公差对转子铜线截面积的影响, 在实际计算中是无法考虑的。一般均以名义尺寸为准。
(4) 对于采用转子槽底副槽径向通风冷却, 或气隙取气斜流式通风冷却的转子绕组, 根据转子铜线损耗和对于转子通风冷却的要求, 每一种型号发
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2010. N o . 1径向通风、直接冷却发电机转子线圈的电阻计算
电机的转子绕组, 设置通风孔的尺寸、数量和通风孔之间相隔的距离等都是不相同的。因此采用同一个修正系数是不合适的。
从以上的分析可见, 对于采用转子槽底副槽径向通风冷却, 或气隙取气斜流式通风冷却的转子绕组, 实际计算中真正造成对转子绕组电阻影响的因素是铜线的导电率和修正系数数值。
在开发新发电机或初步设计阶段, 应对转子线圈的电阻有一个较为准确的计算值, 用以较准确地比较每一个设计方案的转子绕组损耗和温升。
3 改进的转子绕组电阻计算的方法
R 2=
下面, 介绍一种对于径向通风冷却转子, 较为准确的转子线圈电阻计算方法, 供发电机设计人员参考。在转子绕组电阻计算中, 对于铜线的导电率, 根据现在实际所采用的无氧银铜线, 可以采用在20∀时, 按理论值99%I A CS 计算, 此时的电阻率为: =1/58#0. 99=1/57. 42=0. 017416 mm /m。
(1) 计算转子线圈每一匝铜线的平均长度L av (2) 铜线截面积(见图1, 无通风孔部分) F cu =AB -0. 86r c u
A 铜线厚度; B 铜线宽度;
r cu 铜
线四个圆角的半径。
图3 通风孔半圆长度的铜线电阻计算
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图2 通风孔尺寸
20∀时的电阻计算:
R 1=
L av -2#n #l
57. 42#F cu
L av 转子线圈每一匝铜线平均长度
(5) 转子线圈每一匝铜线通风孔中间矩形孔部分, 在20∀时的电阻
57. 42#(Fcu -Ab)
(6) 转子线圈每一匝铜线通风孔两端部分, 在20∀时的电阻
a) 每个通风孔一端半圆长度r 内, 在20∀时的电阻计算(见图
3)
在 处的铜线截面积
F =A (B-2r cos ) -0. 86r cu =AB -2Ar cos -0. 86r cu
=(AB -0. 86r cu ) -2A r cos
通风孔半圆长度内, 在20∀时的铜线电阻
图1 铜线截面
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(3) 铜线径向通风孔的尺寸(见图2)
b 径向通风孔宽度(b =2r ); l 径向通风孔长度;
r 径向通风孔两端的半圆半径; n 每一槽内, 径向通风孔数。
dl r cos d R r =dR ==2
F (AB-0. 86r cu ) -2Ar cos =
cu
∃2Ar AB -0. 86r
2Ar
2
-cos
AB -0. 86r cu
设E =
2Ar 则可得:
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(4) 转子线圈每一匝铜线无通风孔部分,
在
R r =0
2A ===
d
2A E -cos E d -2A E -cos !
! d
E -cos
R 1=
=
L av -2#n #l 57. 42#F cu
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#10
57. 42#195. 4457. 42#(Fcu -Ab )
-3#10
57. 42#(195. 44-6. 1#5)
=0. 0004903 R 2=
=
E 2A
E -1
tan
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-E -1b) 转子线圈每一匝铜线中, 所有通风孔半圆长度r 内, 在20∀时的电阻
R rr =4nR r
(7) 转子线圈每一匝铜线在20∀时的电阻R tu r n =R 1+R 2+R rr
(8) 以上是按每一匝铜线的平均长度计算的电阻, 若计算整个转子绕组在20∀时的电阻值, 只要再乘以转子绕组总的匝数, 便可得到转子绕组在20∀时的电阻值。
对于径向通风冷却转子, 根据以上的方法, 采用M athcad 编制的程序, 可以方便、准确的计算转子线圈电阻。
下面以转子槽底副槽、径向通风冷却的50MW 空冷发电机为例, 采用上述方法, 计算转子线圈的电阻:
A =6. 1mm B =32. 4mm r cu =1. 6mm b =5mm l =20mm r =2. 5mm n =48mm L av =7426. 72mm
F cu =AB -0. 86r =6. 1#32. 4-0. 86#1. 6=195. 44mm
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cu
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=0. 00015205
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AB -0. 86r cu E ==
2A r 2#6. 1#2. 5
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=6. 407816R r ==E 2A
2E -1
tan
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157. 42#2#6. 16. 407816#tan
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#10-3
-6. 407816-1-7
=2. 54279#10=0. 04882#10
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R rr =4nR r =4#48#2. 54279#10
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R turn =R 1+R 2+R turn
=0. 4903#10
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+0. 15205#10+=0. 69117#10
-
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0. 04882#10
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转子绕组总共有250匝线圈, 在20∀时的电阻:R cu 2=250#0. 69117#10=0. 1728 该计算值与实测值相差仅为0. 5%左右, 已非常准确。
当径向通风冷却转子, 在转子铜线上采用双排腰园通风孔时, 可把双排通风孔简化成只有一端半圆的一个通风孔进行计算, 见图4。
图4 双排腰园通风孔的简化
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3. 6 铁心温度测量元件W ZPT -01热电阻(Q5C421. 1372) 的研制
铁心温度测量元件W ZPT-01热电阻外形尺寸见图14
。
图14 铁心温度测量元件外形尺寸
该元件与总水管测温元件W ZP-SG -4#4#20热电阻结构相似, 不再赘述。
W ZPT -01热电阻精度等级为A 级, 分度号:Pt100; 测量范围:0~200∀。技术参数、试验方法、实测数据见表7。
表7 铁心温度测量元件技术参数
项 目0∀时电阻值/ 100∀时电阻值/ 绝缘电阻/M 耐电压试验拉力试验浸水试验/mi n 跌落试验/m热响应时间∀0. 5/s 1)
标准值100%0. 06138. 51%0. 13
&100
50H z 、1000V 、1m i n
25N 、15s
151. 5(8
试验方法I EC751, JJ G 229I EC751, JJ G 229250V 兆欧表耐压测试仪JJ2671
砝码
样品实测值100. 02138. 52∋通过通过通过通过6. 0
5. 5EP HY M ESS 产品实测值100. 02138. 52∋通过通过
注:1) 在温度阶跃变化时, 温度传感器的输出变化至量程变化的50%所需要的时间称为热响应时间, 用∀0. 5表示。影响∀0. 5
的因素与保护管材料、直径、壁厚有关, 而且还与其结构形式、安装方法、置入深度以及被测介质的流速、种类有关。
4 结语
1000MW 发电机测温元件国产化的工作表明1000MW 发电机用测温元件在功能的完备性、数据
的准确性、可靠性、稳定性、先进性、适可维护性等方面已经达到了国外进口产品的水平, 已经能够满足用户需求, 而在元件的绝缘性能方面已经超越了国外产品。
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对于采用气隙取气斜流式通风冷却的转子绕组, 可把斜流通风孔简化成同样长度的径向腰园通风孔, 并采用上述双排通风孔简化成只有一端半圆的一个通风孔进行计算。
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4 结语
采用改进的转子绕组电阻计算方法, 电阻计算值和实测值的偏差仅为0. 5%左右, 有足够的精度, 可以满足新产品开发时的需要。