CN110556959A - 巨型水轮发电机强电磁环境下新型电磁屏蔽结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种巨型水轮发电机强电磁环境下新型电磁屏蔽结构，包括平行叠加贴合设置的多层硅钢片和一层铝板；所述多层硅钢片和一层铝板依次层叠固定连接形成一体化的屏蔽结构；与铜排相对的机坑壁表面上均匀设置有多个槽钢，屏蔽结构与机坑壁平行布置并与槽钢固定连接；其中硅钢片靠近机坑壁，铝板靠近铜排；硅钢片在漏磁场空间范围内，构建一条超高导磁路径，改变空间磁场的分布，使得有意进入钢筋的漏磁进入硅钢片内；磁力线垂直穿过铝板进入硅钢片，在铝板内感应电流，感应的电流也生成反向漏磁，抵消原始铜排产生的漏磁。本发明用于防止机坑墙内钢筋混凝土结构在强电磁环境下而导致的过热，以及由过热导致的结构强度降低等情况。

Description

巨型水轮发电机强电磁环境下新型电磁屏蔽结构

技术领域

本发明涉及发电机机坑墙内电磁屏蔽技术领域，具体涉及一种巨型水轮发电机强电磁环境下新型电磁屏蔽结构。

背景技术

水轮发电机布置在机坑墙内，机坑墙墙体为钢筋混凝土结构。发电机的主中引线需通过铜排及电缆引出至机坑墙外。主中引线上流过发电机额定电流，该电流将会形成磁场，交变磁场将在包括机坑墙内钢筋在内的周围金属构件形成涡流，涡流将引起构件发热进而引起构件结构强度降低、氧化和老化加快等问题，影响整个电站的安全稳定运行。

在中小型机组中，由于机组容量小，额定电流小，主中引线造成机坑墙内钢筋发热的情况不严重，可不采取措施。

在一般的大型机组中，若研究发现或项目业主要求采用一定措施降低主中引线对周围构件的影响，主要措施包括如下：

加大钢构与铜排距离。磁场强度与距离成反比，因此加大距离不仅可以减少钢构中的涡流和磁滞损耗，而且还可以减少闭合回路中的感应电势和环流，降低损耗。该措施受制于机坑的大小，不一定完全适用。

断开闭合回路。钢构回路用绝缘板或绝缘垫断开，钢筋回路将纵横钢筋交叉处用绝缘管套接或包扎绝缘带，从根本上消除环流。该项措施对施工工艺要求高，增加施工成本及原材料成本。

用非磁性材料代替钢构件。所用的非磁性材料一般为塑料、石棉水泥板、酚醛布板、玻璃钢等非金属材料或铝、铜、非导磁不锈钢。但这些材料要么机械强度不够，要么价格昂贵，仅能局部采用。

采用电磁屏蔽措施。机坑墙内电磁屏蔽措施一般为在机坑墙内侧布置电磁屏蔽装置，该装置的结构为一层铝板或“一层铝板+一层钢板”的结构，其中铝板厚度为6～10mm，钢板厚度为3～5mm。铝板和钢板之间存在一定的间隔，间隔宽度为5mm-15mm。该措施为目前采用的主要措施。

随着技术的不断进步，水轮发电机的单机容量越来越大。乌东德水电站共装设12台(左、右岸各6台)单机容量为850MW的立轴混流式水轮发电机组，总装机容量为10200MW。白鹤滩水电站共装设16台(左、右岸各8台)单机容量为1000MW的立轴混流式水轮发电机组，总装机容量为16000MW。乌东德、白鹤滩发电机容量在850MW及以上，额定电流均超过了26kA。超大电流带来的超强磁场将会引起机坑墙内钢筋构件的严重发热，采用传统的电磁屏蔽结构已经不能将限制构件发热。

850MW容量及以上机组机坑墙内的电磁屏蔽措施超过传统要求，目前国内外尚无这方面的研究或工程经验可借鉴。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种巨型水轮发电机强电磁环境下新型电磁屏蔽结构，用于防止机坑墙内钢筋混凝土结构在强电磁环境下而导致的过热，以及由过热导致的结构强度降低等情况。

本发明提供了一种巨型水轮发电机强电磁环境下新型电磁屏蔽结构，其特征在于包括平行叠加贴合设置的多层硅钢片和一层铝板；所述多层硅钢片和一层铝板依次层叠固定连接形成一体化的屏蔽结构；与铜排相对的机坑壁表面上均匀设置有多个槽钢，屏蔽结构与机坑壁平行布置并与槽钢固定连接；其中硅钢片靠近机坑壁，铝板靠近铜排；硅钢片在漏磁场空间范围内，构建一条超高导磁路径，改变空间磁场的分布，使得有意进入钢筋的漏磁进入硅钢片内；磁力线垂直穿过铝板进入硅钢片，在铝板内感应电流，感应的电流也生成反向漏磁，抵消原始铜排产生的漏磁。

所述硅钢片轧制方向需与中性点连接铜排成90度。上述硅钢片轧制方向的磁阻最小，因此采用该种布置方式，中性点铜排主磁路将沿磁阻最小的方向形成通道，尽可能使得更多的额磁力线进入电磁屏蔽装置，增强屏蔽效果

所述硅钢片表面涂覆有绝缘漆，硅钢片直接贴附于铝板表面；硅钢片和铝板之间不需存在间隔且通过依次穿过两者的螺栓固定，螺栓表面附绝缘材料。硅钢片与铝板贴合，使得两者之间的空气磁路更小，从两者之间走过的励磁线更小，屏蔽效果更佳。

所述机坑壁表面利用膨胀螺栓将槽钢固定在机坑壁上，槽钢凹槽处焊接钢板，钢板上攻丝，用于固定焊接屏蔽结构。屏蔽结构和机坑壁之间存在间隙，一方面便于安装，因为机坑墙为圆形结构，而电磁屏蔽结构的圆形可能不标准，留出空隙后，则便于安装；另外一点就是便于散热

所述进入硅钢片的磁场在硅钢片内采用平行边界条件，在分界面非导磁区域为垂直边界条件。空间的磁力线垂直进入硅钢片；使得更多的磁力线进入电磁屏蔽装置，减少进入结构钢筋的磁力线，增大屏蔽效果。

所述对于50Hz的电力系统，铝板厚度为6mm；对于60Hz的电力系统，铝板的厚度为5.5mm。

所述多层硅钢片采用0.27mm、0.30mm、0.35mm工业用常见牌号硅钢片，叠片总厚度为3mm。

本发明的硅钢片的等效相对磁导率在7000(H/m)以上，远远大于非导磁材料或钢板，利用硅钢片的高导磁特点，在漏磁场空间范围内，构建一条超高导磁路径，改变空间磁场的分布，使得原本进入钢筋的漏磁进入硅钢片内。本发明相对不含电磁屏蔽装置和传统电磁屏蔽装置，新型电磁屏蔽装置改变了空间漏磁，使得更多的磁力线进入电磁屏蔽装置，而非钢筋。本发明中进入硅钢片的磁场在硅钢片内采用平行边界条件，在分界面非导磁区域为垂直边界条件。空间的磁力线垂直进入硅钢片。由于硅钢片外侧为铝板，磁力线垂直穿过铝板进入硅钢片，在铝板内感应电流，感应的电流也生成反向漏磁，抵消原始铜排产生的漏磁，最终使得空间漏磁减少。该结构能同样减少由于硅钢片引入对铜排上涡流损耗的影响。本发明利用硅钢片控制空间漏磁的磁路，基于确定的漏磁，利用铝板感应电流的反向漏磁，减少特定方向上的漏磁场。采用本发明相对于采用传统电磁屏蔽方法，能进一步降低钢筋内的涡流损耗20％及以上。同时本发明的固定结构更为简单，本发明的多层硅钢片和铝板采用螺栓实现有效的固定连接，通过焊接一次性固定于槽钢上，安装方便。本发明通过机坑墙上槽钢的设置，保证屏蔽结构和机坑壁之间存在有效间隙。

附图说明

图1新型电磁屏蔽结构图

图2无电磁屏蔽时空间磁场分布

图3传统电磁屏蔽时空间磁场分布

图4新型电磁屏蔽时空间磁场分布

图5实施例计算模型

其中，1-铝板，2-硅钢片，3-槽钢，4-膨胀螺栓，5-钢板，6-螺栓，7-机坑墙，8-屏蔽装置，9-铜排，10-机坑钢筋。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，一种巨型水轮发电机强电磁环境下新型电磁屏蔽结构，其特征在于包括平行叠加贴合设置的多层硅钢片2和一层铝板1；所述多层硅钢片2和一层铝板1依次层叠固定连接形成一体化的屏蔽结构；与铜排9相对的机坑壁表面上均匀设置有多个槽钢3，屏蔽结构与机坑壁平行布置并与槽钢3固定连接；其中硅钢片2靠近机坑壁，铝板1靠近铜排9；硅钢片2在漏磁场空间范围内，构建一条超高导磁路径，改变空间磁场的分布，使得有意进入钢筋的漏磁进入硅钢片2内；磁力线垂直穿过铝板1进入硅钢片2，在铝板1内感应电流，感应的电流也生成反向漏磁，抵消原始铜排9产生的漏磁。所述硅钢片2为各向异性高导磁材料，因此，在安装时要特别注意硅钢片2的摆放方向。硅钢片2轧制方向需与中性点连接铜排9成90度。所述硅钢片2表面涂覆有绝缘漆，硅钢片2直接贴附于铝板1表面；硅钢片2和铝板1之间不需存在间隔且通过依次穿过两者的螺栓固定，螺栓表面涂覆有绝缘材料，使得其不形成电气联结。所述机坑壁表面利用膨胀螺栓4将槽钢3固定在机坑壁上，槽钢3凹槽处焊接钢板5，钢板5上攻丝，用于固定焊接屏蔽结构。

所述进入硅钢片2的磁场在硅钢片2内采用平行边界条件，在分界面非导磁区域为垂直边界条件。空间的磁力线垂直进入硅钢片2。空间的磁力线垂直进入硅钢片2。由于硅钢片2外侧为铝板1，磁力线垂直穿过铝板1进入硅钢片2，在铝板1内感应电流，感应的电流也生成反向漏磁，抵消原始铜排9产生的漏磁，最终使得空间漏磁减少。该结构能同样减少由于硅钢片2引入对铜排9上涡流损耗的影响。

对于50Hz的电力系统，铝板1厚度为6mm；对于60Hz的电力系统，铝板1的厚度为5.5mm。铝板1推荐依据机坑墙7内壁弧度尺寸采用一整块钣金件，当需要屏蔽的尺寸范围太大，采用一整块钣金件有困难时，可采用多块铝制钣金件。优先推荐大尺寸钣金件，具体尺寸需结合钣金难度、机坑尺寸和需要屏蔽的范围灵活调整。凡在本发明推荐的结构基础上进行的铝板1厚度增加及1mm范围的减少，均在本发明的保护范围内。

多层硅钢片2采用0.27mm、0.30mm、0.35mm等工业用常见牌号硅钢片2，叠片总厚度为3mm。本发明研究发现，叠片越厚，屏蔽效果越好，但是3mm以上叠片厚度时，单纯增加叠片厚度取得的屏蔽效果优化已经非常小。凡在本发明推荐的结构基础上进行的硅钢片2叠片厚度增加或减少，均在本发明的保护范围内。

机坑墙7内钢筋电磁发热的原理为：主中引线上流过大电流，周围空间内形成漏磁场。机坑墙7内钢筋受漏磁影响，产生涡流，进而产生发热。本发明的硅钢片2的等效相对磁导率在7000(H/m)以上，远远大于非导磁材料或钢板5，利用硅钢片2的高导磁特点，在漏磁场空间范围内，构建一条超高导磁路径，改变空间磁场的分布，使得原本进入钢筋的漏磁进入硅钢片2内。图2至图4对比了不含电磁屏蔽装置、含传统电磁屏蔽装置(铝板1+钢板5)和新型电磁屏蔽装置情况下的磁场空间分布图。从图中可以看出相对不含电磁屏蔽装置和传统电磁屏蔽装置，新型电磁屏蔽装置改变了空间漏磁，使得更多的磁力线进入电磁屏蔽装置，而非钢筋。本发明利用硅钢片2控制空间漏磁的磁路，基于确定的漏磁，利用铝板1感应电流的反向漏磁，减少特定方向上的漏磁场。

结合图5对本发明的实施例的技术效果进行详细的描述：

S1.采用有限元计算软件，对比分析本发明所述电磁屏蔽装置与传统电磁屏蔽装置的屏蔽效果对比。本发明所述电磁屏蔽装置见上文所述，详见图1。

S2.有限元计算模型见附图5。铜排9内通过26kA额定电流，传统电磁屏蔽装置设置为铝板16mm，钢板53mm，中间间隔10mm。新型电磁屏蔽装置为铝板16mm，硅钢片2叠片3mm，中间无间隙。钢筋仅模拟一小段，即图5所示环状结构。

S3.经过有限计算分析后得到，不采用电磁屏蔽时，钢筋上的电磁损耗为0.30w；采用传统电磁屏蔽结构之后，钢筋上的损耗为0.24w；采用新型电磁屏蔽结构之后，钢筋上的损耗为0.19w。相对于不屏蔽状态下，损耗降低37％；相对于传统电磁屏蔽结构，损耗降低21％。

以上所述仅为本发明的实施例，并不用于限值本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图保护这些改动和变型在内。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种巨型水轮发电机强电磁环境下新型电磁屏蔽结构，其特征在于包括平行叠加贴合设置的多层硅钢片和一层铝板；所述多层硅钢片和一层铝板依次层叠固定连接形成一体化的屏蔽结构；与铜排相对的机坑壁表面上均匀设置有多个槽钢，屏蔽结构与机坑壁平行布置并与槽钢固定连接；其中硅钢片靠近机坑壁，铝板靠近铜排；硅钢片在漏磁场空间范围内，构建一条超高导磁路径，改变空间磁场的分布，使得有意进入钢筋的漏磁进入硅钢片内；磁力线垂直穿过铝板进入硅钢片，在铝板内感应电流，感应的电流也生成反向漏磁，抵消原始铜排产生的漏磁。

2.根据权利要求1所述的巨型水轮发电机强电磁环境下新型电磁屏蔽结构，其特征在于：硅钢片轧制方向需与中性点连接铜排成90度。

3.根据权利要求2所述的巨型水轮发电机强电磁环境下新型电磁屏蔽结构，其特征在于硅钢片表面涂覆有绝缘漆，硅钢片直接贴附于铝板表面；硅钢片和铝板之间不需存在间隔且通过依次穿过两者的螺栓固定，螺栓表面附绝缘材料。

4.根据权利要求3所述的巨型水轮发电机强电磁环境下新型电磁屏蔽结构，其特征在于机坑壁表面利用膨胀螺栓将槽钢固定在机坑壁上，槽钢凹槽处焊接钢板，钢板上攻丝，用于固定焊接屏蔽结构。

5.根据权利要求4所述的巨型水轮发电机强电磁环境下新型电磁屏蔽结构，其特征在于进入硅钢片的磁场在硅钢片内采用平行边界条件，在分界面非导磁区域为垂直边界条件。空间的磁力线垂直进入硅钢片。

6.根据权利要求4所述的巨型水轮发电机强电磁环境下新型电磁屏蔽结构，其特征在于对于50Hz的电力系统，铝板厚度为6mm；对于60Hz的电力系统，铝板的厚度为5.5mm。

7.根据权利要求4所述的巨型水轮发电机强电磁环境下新型电磁屏蔽结构，其特征在于多层硅钢片采用0.27mm、0.30mm、0.35mm工业用常见牌号硅钢片，叠片总厚度为3mm。