水輪發(fā)電機(jī)磁極線圈溫升偏高分析

明 野

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150040)

0 引言

新安江水電站從1999 年開始先后對(duì)9 臺(tái)機(jī)組進(jìn)行了增容改造，原機(jī)組額定功率72.5MW，額定功率因數(shù)0.85。發(fā)電機(jī)增容改造后，額定功率90 MW，額定功率因數(shù)0.9，機(jī)組冷卻方式采用密閉、自循環(huán)空氣冷卻方式。

增容改造后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極線圈普遍存在溫升偏高的現(xiàn)象，溫升一般在100K 左右。雖然進(jìn)行了多次通風(fēng)結(jié)構(gòu)的完善，但仍然得不到根本的解決。磁極分解檢查發(fā)現(xiàn)，磁極線圈內(nèi)側(cè)R 處的絕緣有明顯過熱痕跡，且背風(fēng)面更為嚴(yán)重，發(fā)現(xiàn)線圈R 處有毛刺，絕緣層在加工時(shí)就已受到損害。以下針對(duì)可能造成水輪發(fā)電機(jī)磁極線圈溫升偏高的原因進(jìn)行分析，找出造成磁極線圈溫升偏高的主要原因，并給出論證方案。

1 磁極線圈溫升偏高原因分析

針對(duì)新安江水電站機(jī)組運(yùn)行情況及機(jī)組的改造情況進(jìn)行分析，造成水輪發(fā)電機(jī)磁極線圈溫升偏高的主要原因有:發(fā)電機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)不合理，風(fēng)量無法滿足要求;發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極自身結(jié)構(gòu)所致，造成磁極自身產(chǎn)生的熱量無法有效散發(fā)，導(dǎo)致溫升偏高。

1.1 對(duì)發(fā)電機(jī)的原通風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算

新安江水輪發(fā)電機(jī)采用雙路徑向無風(fēng)扇端部回風(fēng)通風(fēng)結(jié)構(gòu)，冷卻空氣由轉(zhuǎn)子支架、磁軛、磁極旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的風(fēng)扇作用進(jìn)入轉(zhuǎn)子支架入口，流經(jīng)風(fēng)隙、磁極極間、氣隙、定子徑向風(fēng)溝，冷卻氣體攜帶發(fā)電機(jī)損耗熱經(jīng)定子鐵心背部匯集到冷卻器與冷卻水熱交換散去熱量后，重新分上、下兩路流經(jīng)定子線圈端部進(jìn)入轉(zhuǎn)子支架，構(gòu)成密閉自循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)。上、下端部均采用端部回風(fēng)的方式冷卻。

(1)轉(zhuǎn)子支架

轉(zhuǎn)子支架入口是冷卻風(fēng)量的主要過流通道，其結(jié)構(gòu)尺寸的選取應(yīng)在滿足轉(zhuǎn)子風(fēng)扇作用的前提下以減小壓頭損失為主，避免不必要的通風(fēng)損耗。該水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支架采用組合式轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)，支臂外圓側(cè)通過擋風(fēng)板形成通風(fēng)風(fēng)路，以提高通風(fēng)壓頭。選定的結(jié)構(gòu)尺寸為:支臂個(gè)數(shù)為8 個(gè);支臂外圓儲(chǔ)擋風(fēng)板內(nèi)徑為φ4 900mm;支架進(jìn)風(fēng)口軸側(cè)至中心最小距離為1 520mm;轉(zhuǎn)子支架每個(gè)通風(fēng)孔的面積為0.71m2。

(2)磁軛通風(fēng)道

磁軛部分是冷卻風(fēng)量的過流通道的咽喉，磁軛部分采用通風(fēng)溝及通風(fēng)隙結(jié)構(gòu)。磁軛通風(fēng)溝選擇的好壞直接影響風(fēng)量的均勻分配及冷卻效果，該磁軛通風(fēng)溝高35mm，通風(fēng)溝數(shù)量為6 個(gè)，風(fēng)溝入口寬度為250mm，出口寬度為100mm。磁軛風(fēng)隙也是轉(zhuǎn)子磁軛過流通道的重要組成部分，磁軛風(fēng)隙選擇的好壞也影響風(fēng)量的均勻分配及冷卻效果，該磁軛風(fēng)隙入口寬為140mm，出口寬為90mm。轉(zhuǎn)子安裝了40 個(gè)磁極，磁極固定在磁軛上，每片磁軛沖片上安裝4 個(gè)磁極，磁軛沖片厚度3mm，采用1 片一疊、串整極的疊片方式。

(3)定子徑向風(fēng)溝

定子徑向風(fēng)溝數(shù)量為43 個(gè)，通風(fēng)溝高度為6mm。

(4)擋風(fēng)板位置

在氣隙、軸向一些縫隙處，存在漏風(fēng)現(xiàn)象，為了提高有效風(fēng)量，降低通風(fēng)損耗，提高電機(jī)的效率，需對(duì)各漏風(fēng)處采取有效措施。機(jī)組采用旋轉(zhuǎn)擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)擋風(fēng)板與定子風(fēng)罩之間的間隙不大于12mm，旋轉(zhuǎn)擋風(fēng)板與磁軛之間的間隙不大于8mm。

按原機(jī)組通風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算，通風(fēng)計(jì)算結(jié)果如下:電機(jī)通風(fēng)損耗約為243kW，電機(jī)總損耗為1386.1kW，溫 升 按 28K 計(jì) 算，所 需 風(fēng) 量為45m3/s，根據(jù)電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算得設(shè)計(jì)總風(fēng)量為42.85m3/s，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的風(fēng)量略低于電機(jī)通風(fēng)要求。

1.2 發(fā)電機(jī)磁極結(jié)構(gòu)分析

(1)出廠時(shí)磁極線圈采用七邊形銅排結(jié)構(gòu)。改造后，部分水輪發(fā)電機(jī)磁極線圈為F 級(jí)絕緣，由29 匝62×8mm矩形裸扁銅線繞制而成，為滿足散熱面積要求，一般會(huì)帶有散熱匝。新安江水電站磁極線圈改造后既沒有散熱匝，也沒有散熱翅，線圈自身散熱面積較小，不利于磁極線圈散熱，是引起轉(zhuǎn)子溫升過高的主要原因。

(2)矩形銅排繞制的磁極線圈，在繞制過程中，線圈的四個(gè)角是圓弧繞出的，內(nèi)圓凸起，外圓減薄，所以線圈四個(gè)角的R 處溫升較高，是引起轉(zhuǎn)子溫升過高的原因之一。

(3)磁極線圈的線規(guī)選擇不合理，造成磁極線圈溫升偏高。按機(jī)組額定工況運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)機(jī)組的勵(lì)磁繞組的電流密度進(jìn)行計(jì)算，電密小于2.5A/mm2，不會(huì)造成機(jī)組勵(lì)磁繞組明顯的溫升偏高，此項(xiàng)不是造成磁極線圈溫升偏高的主要原因。

1.3 分析結(jié)論

按以上機(jī)組的通風(fēng)結(jié)構(gòu)形式及磁極自身結(jié)構(gòu)兩方面進(jìn)行分析，給出如下結(jié)論。

(1)機(jī)組原通風(fēng)結(jié)構(gòu)按熱風(fēng)溫升28K 計(jì)算，風(fēng)量略有不足。但按此風(fēng)量運(yùn)行，可能會(huì)造成熱風(fēng)溫升略高，熱風(fēng)的溫升可能達(dá)到30K，同時(shí)發(fā)電機(jī)定子的溫升并不高，說明整個(gè)機(jī)組的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)沒有問題，不至于造成磁極線圈溫升達(dá)到100K 左右。

(2)磁極線圈采用矩形銅排結(jié)構(gòu)，并沒有散熱匝，散熱面積不足，無法將發(fā)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中磁極產(chǎn)生的熱量充分散發(fā)，讓冷空氣帶走，這是造成磁極溫升偏高的主要原因。

2 處理方案

針對(duì)以上機(jī)組通風(fēng)結(jié)構(gòu)和磁極線圈結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面給出處理方案。

(1)通風(fēng)結(jié)構(gòu)

原機(jī)組通風(fēng)結(jié)構(gòu)可能造成熱風(fēng)溫度略高，但定子部分溫升均在合理的溫升范圍內(nèi)，說明空氣冷卻器的冷卻效果比較理想，不會(huì)影響機(jī)組的通風(fēng)冷卻，通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)可不進(jìn)行改造。

(2)磁極結(jié)構(gòu)

對(duì)原機(jī)組磁極線圈進(jìn)行改造，改為帶散熱翅結(jié)構(gòu)的銅排，并采用四角焊接結(jié)構(gòu)。按散熱面積計(jì)算，帶散熱翅結(jié)構(gòu)的磁極線圈散熱面積是矩形銅排結(jié)構(gòu)的1.8 倍左右，能夠有效地將磁極的熱量帶走。磁極線圈采用四角焊接結(jié)構(gòu)，此種制造方法不會(huì)出現(xiàn)繞制線圈R 處的銅排截面積不規(guī)則的情況。同時(shí)，四角焊接結(jié)構(gòu)的磁極線圈外形尺寸比繞制的磁極線圈外形尺寸更精確，使得通風(fēng)風(fēng)路更順暢，更有利于降低轉(zhuǎn)子繞組的溫升。

3 處理方案論證

按改造后的磁極線圈的結(jié)構(gòu)型式，并按原通風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維溫度場分析計(jì)算，核算此改造方案是否可行。發(fā)電機(jī)空氣冷卻器出風(fēng)溫度按40℃計(jì)算，通過三維溫度場分析計(jì)算，得到了磁極線圈溫度分布云圖。計(jì)算結(jié)果顯示磁極線圈最高溫度為104.3℃，平均溫度為101.1℃。磁極線圈最高溫升64.3K，滿足規(guī)范要求值85K，此改造方案可行。

4 結(jié)語

新安江水電站改造后，部分水輪發(fā)電機(jī)組的磁極線圈溫升偏高，主要原因在于矩形銅排的磁極線圈并沒有設(shè)置散熱匝，機(jī)組運(yùn)行過程中磁極線圈產(chǎn)生的熱量無法完全被冷風(fēng)帶走，熱量大部分都?xì)埩粼诖艠O線圈的銅排上，造成磁極線圈溫升偏高。為保證機(jī)組磁極線圈的溫升在合理的范圍內(nèi)，機(jī)組的磁極線圈需要進(jìn)行改造，采用帶有散熱翅結(jié)構(gòu)的銅排，有效保證在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，磁極線圈的溫升在規(guī)范要求的范圍內(nèi)。