Elektromechanisches Verhalten von Ständerwickelköpfen großer Turbogeneratoren bei stationärem Betrieb und elektrischen Störungen

Abstract

In den Ständerwickelköpfen großer Turbogeneratoren treten bei schweren Betriebsstörungen mitunter sehr große elektromagnetische Kräfte auf, welche Verformungen des Wickelkopfverbandes im Millimeterbereich bewirken können. Die Vorausberechnung dieser Verformungen unter Verwendung numerischer Berechnungsprogramme auf der Basis mechanischer finite Elemente Verfahren kann hierbei wertvolle Erkenntnisse für die Optimierung der Absteifungsmaßnahmen des Ständerwickelkopfes liefern. Allerdings erfordert die Simulation des erzwungenen Schwingungsverhaltens die möglichst exakte Berechnung der anregenden elektromagnetischen Kräfte. Um verlässliche Aussagen über das Schwingungsverhalten des Ständerwickelkopfes ableiten zu können, muss die mechanische Simulation ferner einen Zeitraum von einigen Perioden der Bemessungsfrequenz der betrachteten Maschine umfassen. Eine weitere Anforderung an ein in der Praxis einsetzbares Kraftberechnungsprogramm ist daher eine möglichst kurze Berechnungsdauer.

Um ein solches Programm bereitzustellen, wurden in dieser Arbeit verschiedene Kraftberechnungsverfahren miteinander verglichen. Bei dem ersten handelt es sich um ein im Rahmen der vorliegenden Arbeit weiterentwickeltes Verfahren, welches auf der Anwendung des Gesetzes von Biot-Savart auf ein komplett aus einzelnen Linienleitersegmenten aufgebautes Modell der Ständerwicklungen im Endbereich des Generators basiert. Der Einfluss ferromagnetischer Bauteile wird hierbei nach den Gesetzmäßigkeiten der Spiegelleitermethode berücksichtigt. Die bei transienten Ausgleichsvorgängen in der leitfähigen Läuferkappe auftretenden Wirbelströme werden über eine Ersatzleiteranordnung nachgebildet. Um das Verfahren zur Betrachtung beliebiger Betriebsfälle einsetzen zu können, erfolgte die Erweiterung des Berechnungsmodells um die rotierende Läuferwicklung. Das zweite im Rahmen der Arbeit angewandte Verfahren zeichnet sich durch eine Modellierung der Ständerwicklungsstäbe mit dem tatsächlichen Leiterquerschnitt aus. Ferner erfolgt eine Berücksichtigung der ferromagnetischen Läuferwelle mittels der Integralgleichungsmethode.

Um die Ergebnisse der beiden Berechnungsprogramme zu überprüfen, wurde ein Modell des Endbereichs, inklusive eines Teils des Ständerblechpaketes und des Läuferballens, für eine dreidimensionale elektromagnetische finite Elemente Software aufgebaut. Zur Berücksichtigung der Wirbelströme, die bei transienten Ausgleichsvorgängen in der leitfähigen Läuferkappe auftreten, wurde diese unter Verwendung finiter Flächenelemente in das Berechnungsmodell integriert. Zur Nachbildung der im Endbereich gelegenen Wicklungen der Maschine, wurden diese dem finite Elemente Modell in Form von unvermaschten Wicklungen als Feldquellen überlagert.

In den vergleichenden Berechnungen stellte sich heraus, dass sich mit dem Verfahren auf der Basis des Biot-Savart´schen Gesetzes, unter Verwendung des relativ einfach aufgebauten, allerdings mit geeigneten Ersatzleiteranordnungen ausgestatteten Endbereichsmodells, bereits gute Übereinstimmungen mit den Ergebnissen der finite Elemente Simulation erzielen lassen. Aus diesem Grund und wegen der sehr kurzen Rechenzeit, wurde dieses Verfahren anschließend ausgewählt, um bei einer eingehenderen Untersuchung Einblicke in die dreidimensionale Verteilung der im Ständerwickelkopf auftretenden, zeitveränderlichen elektromagnetischen Kräfte zu gewinnen. Hierbei erfolgte die Betrachtung des stationären Bemessungsbetriebs und des dreisträngigen Klemmenkurzschlusses aus vorangegangenem Leerlauf bei Bemessungsspannung. Abschließend wurde das für die Dimensionierung des Ständerwickelkopfes wesentliche, mechanische Schwingungsverhalten untersucht. Hierfür wurden die ermittelten Zeitfunktionen der Kräfte zur Anregung eines mechanischen finite Elemente Modells des Wickelkopfes verwendet. Hierbei konnten gute Übereinstimmungen mit im Prüffeld erfolgten Verformungsmessungen festgestellt werden.