4
6 4 7 4 5
1998
1992 /1998 1992 1993 1994 1994
20
我 国 部 分 水 轮 发 电 机 组 代 表 产 品 技 术 参 数
电站名称
二滩 龙羊峡 小浪底 万家寨 三峡 李家峡 葛洲坝 葛洲坝
型号
SF55042/12782
容量 MVA 612 /642
转速 r/min 142.9 125 107.1 100 75 125 62．5 62．5
本文还分析了各种相关因素如进风温度、径向通风沟风速、 绝缘材料属性、绝缘老化和线圈电流的集肤效应对定子温 度场的影响，给出了相应的温度场的分布规律。
11


2 大型水轮发电机的结构、损耗
悬式结构主要用于中 高速机组； 伞式结构主要用于中 低速大容量机组 1 2 3 4 5 6 7 8 发电机推力轴承 发电机上导轴承 发电机上机架 发电机下机架 发电机转轴 水轮机转轴 水轮机导轴承 发电机下导轴承
同步发电机突然短路电流 计算和仿真
Calculation and Simulation of the Short Circuit Current of Synchronous Generator
樊
亚
东
1
目的
通过本次讲座，希望大家了解对问题分析的一个思路；
分析一个问题所需要的基本手段；
了解内容本身。
9
国内外研究现状

2
数值计算方法
是求解温度场的常用方法，主要包括有限差分法和有 限元法等。

有限差分法不足之处是，由于采用的是直交网格，因此对 于边界形状复杂的区域和第二类边界条件及内部介质界面 的处理比较困难。

有限元法是当今科学技术发展和工程分析中获得最广泛应 用的数值计算方法，由于它的通用性和有效性，受到工程 技术界的高度重视，伴随着计算机科学和技术的快速发展， 现已成为计算机辅助工程和数值仿真的重要组成部分。
结构形式 台数
空冷半伞 空冷半伞 空冷半伞 空冷半伞 水冷半伞 空冷半伞 空冷半伞 空冷半伞 6 4 6 6 14 5
投运年代
1999 1990 1999 1998 2003~ 2005 1997 1991 1991 21
SF320—48 355．6 ／12800 SF30056/13600 SF18060/12800 SF70080/17920 SF40048/12800 SFl70—96 ／15600 SFl25—96 ／15600 333.3/ 360 200/21 0.5 777.8/ 840 444 194 143
8
国内外研究现状
等效热路法 温度场法 等效热网络法 数值计算方法
2
有限差分法 有限元法
等效热路法
利用传热学和电路理论的相似性把温度场简化为带有 集中参数的热路来进行计算，把分布的真实热源和热阻用 集中的热源和热阻代替，形成等效热路 。
等效热网络法
是应用图论原理，通过网络的拓扑结构进行热分析的 一种方法。它实质是把热路法的参数和热源进行局部分布 参数化 。
若t=0 时，突然移动 磁极，在线圈里有
d ia r 0 dt
0
超导回路的磁链守恒原理
28
超导回路的磁链守恒原理

无论外磁场交链超导体闭合回路的磁链如何变 化，回路感应电流所产生的磁链总会抵制这种 变化，使回路中的总磁链保持不变。
实际线圈总是有电阻的，由于电阻上要消耗能量，促使线圈 的电流和磁链都要发生衰减。 如果是一个孤立的线圈的话，它的衰减时间常数T=L/r，磁链 和电流都会呈指数衰减； 如果这个线圈不是孤立的，周围还有其它线圈，那么，这个 线圈的磁链，除了自身的磁链以外，还包括了其它线圈对它的 互感磁链，这时，保持这个线圈磁链不变的电流，除了自身的 电流外，还要考虑其它线圈电流。同步电机的电枢、转子励磁 线圈和阻尼绕组正好就是这种情况。
大型水轮发电机的定子结构
15
大型水轮发电机 定子线圈截面图
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电机的损耗
铁心损耗 绕组损耗 机械损耗 铁心损耗
基本铁耗是指主磁场交变时所产生的铁心损耗， 分为磁滞损耗和涡流损耗。 附加铁耗是由于定转子开槽引起气隙磁导谐波磁 场在对方铁心中产生的损耗，在铁心表面产生的损耗 称为表面损耗，主要以涡流损耗为主。而在齿内部产 生的损耗称为脉振损耗。上述两种损耗统称为空载附 加损耗。电机带负载后，由于存在漏磁场和谐波磁场 而在铁心中产生的损耗称为负载附加铁耗。
温升对电机的影响
6
研究的目的和意义

1
我国水电资源的理论蕴藏量为 6.89亿千瓦，技术可 开发量为4.93亿千瓦，经济可开发量为3.95亿千瓦， 目前我国的水电总装机容量为0.75亿千瓦，已开发量 还不到经济可开发量的1/5，继三峡水利工程后，我 国在金沙江、澜沧江流域进行梯级电站的水电开发， 在2020年前，金沙江将开工12座电站，其中8座建成 发电。年总发电量超过2000亿度，等于两个多三峡的 发电量。澜沧江水电开发目标也初步确定，预计到 2020年，流域共规划建设15个电站，总装机容2200万 千瓦左右，年发电量约1200亿度。因此，水电工业的 发展将是一个长期开发的过程。
4 突然短路电流分析方法和依据

理论上分析突然短路电流---方法1 一般习惯从电机的基本电磁关系出发，建立其 状态方程，并通过各种坐标变换来研究电机的 瞬变过程，其计算精确性依赖于准确的电感系 数和互感系数，而在工程实际中，测量这些参 数比较困难。
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基于超导体回路磁链守恒原理分析--方法2
超导体回路磁链守恒原 则就是指和超导体闭合回路 交链的磁链永远保持不变。 同步发电机的绕组在突 然短路时都是闭合的。电枢 绕组经过短路点闭合，励磁 绕组经过直流励磁电源闭合， 而阻尼绕组本身就是闭合的。
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大型水轮发电机的结构、损耗
1 2 3 4 5 6 7 8 半伞式结构
发电机推力轴承 发电机上导轴承 发电机上机架 发电机下机架 发电机转轴 水轮机转轴 水轮机导轴承 发电机下导轴承 伞式结构
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定子结构
定子部分由机座、铁心和绕组 等部件组成。 铁芯是发电机定子的一个重要 部件。它是磁路的主要组成部分， 并用于固定线圈，它由扇形冲片， 通风槽片，拉紧螺年杆，定位筋， 齿压片、拉紧螺杆及固定片等零部 件组成。扇形冲片用0.5或0.35毫 米厚的硅钢片冲制而成。 大中型水轮发电机的定子 绕组一般采用条式波绕组。
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三峡水电站
三峡工程设计安装26台单机容量70万千瓦的发电机组，总装机容 量1820万千瓦。机组全部投产后每年可发电847亿千瓦时。
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3 同步电机的突然短路概念和特征

突然短路时，同步电机有以下主要特征：
1、突然短路时，短路电流的峰值可以达到额定电流 的十多倍甚至几十倍； 2、随着短路冲击电流的出现，电机绕组端部将受到 强大的冲击电磁力的作用；
鲁布革水电站
鲁布革水电站位于南盘江支流黄泥河上，云贵界河上，为引水式水电站。主要任务为 发电。装机容量600MW，4台150MW，平均年发电量28.49亿kw· h。以220kV和110kV电压输 电线路接入云南省电力系统。工程于1982年开工，1985年底截流，1988年底第一台机发电， 1990年底建成。鲁布革水电站是我国第一个使用世界银行贷款、部分工程实行国际招标的 水电建设工程。被誉为我国水电建设对外开放的一个窗口。
大型水轮发电机的结构、损耗 18
冷却系统

空气冷却系统 双路径径轴向有（无）风扇系统 双路径径向无风扇系统 单路径轴向系统
氢冷却系统 水冷却系统 其他冷却系统

大型水轮发电机的结构、损耗 19
我 国 部 鲁布革（云 SF150.5分 18/6250 贵） 水 SF300天生桥一级 轮 44/12440 发 电 天生桥二级 SF220.530/9050 机 组 SF302.5岩滩 代 80/17000 表 SF200水口 产 56/11950 品 SF300技 隔河岩 44/12440 术 参 SF240五强溪 数 88/17290
分析短路电流的目的
5


研究的目的和意义

1
由于局部部件发热，电机中常用的铜、铝、合金 铝、银铜和钎焊材料等金属材料的强度和硬度会 逐步下降，从而引起结构部件严重变形，导致机 组振动危及电机运行安全。

正确研究和计算电机各部件温升情况，不仅可以 优化电机设计，还为今后电机高效、安全运行奠 定了坚实的基础。
4
研究的目的和意义

1
大型电机本身是一个由多种材料组合而成的组合 体，它的发热过程较复杂，因而它的温升过程也 较复杂，但在一定的容量下，各部分的温升是一 定的，温度分布也是一定的。 对电机的稳态温度场计算的目的就是核算电机中 各发热部件在稳定运行时的温升情况； 对电机的瞬态温度场计算的目的是为了核算电机 的瞬态最高温度是否超过材料所允许的限度。
7
研究的目的和意义

1
大型水电站的建设，推动了大型水轮发电机发热与 冷却技术的研究工作。目前，三峡电站的水轮发电 机单机容量己达700MW，是世界上单机容量最大的水 轮发电机之一，它的温度场的研究和分析是发电机 优化设计的重要一环。随着电机设计水平和制造工 艺的提高，大型水电站所采用水轮发电机容量有不 断提高的趋势。因此，有关水轮发电机温度场的计 算和分析作为水轮机组有待研究的几大系列问题之 一，显得越来越重要。
10
本研究所做的工作

3
本文根据大型水轮发电机结构特点（通风系统的对称性）， 通过对比和计算，把定子温度场的求解区域确定为半齿半 槽、轴向半个铁心的范围；

提出了一些基本假设及相应的边界条件，计算和确定了各 散热面的表面散热系数，计算了定子各个部分的等效导热 系数和损耗引起的发热率； 应用有限元法的通用软件——ANSYS，对大型水轮发电机定 子稳态和瞬态温度场进行了仿真计算和研究，绘制了相应 的二维和三维温度场图，得到了一些典型路径上的温度分 布曲线和一些典型点的温度变化；