實(shí)施槽楔換型改造降低循泵電機(jī)運(yùn)行溫度

楊 揚(yáng)，王瑞青，杜 剛，羅 杰，王 超

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314300)

實(shí)施槽楔換型改造降低循泵電機(jī)運(yùn)行溫度

楊 揚(yáng)，王瑞青，杜 剛，羅 杰，王 超

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314300)

分析了某核電廠循泵電機(jī)長(zhǎng)期存在溫度高的缺陷，通過(guò)試驗(yàn)確認(rèn)缺陷原因?yàn)槎ㄗ永@組更新后直流電阻增大，并提出將槽楔更改為磁性槽楔的改造方案。改造結(jié)果表明：更換為磁性槽楔后，降低了電機(jī)的運(yùn)行溫度，提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

磁性槽楔；循泵電機(jī)；繞組溫度

1 故障簡(jiǎn)述

國(guó)內(nèi)某核電廠循泵電機(jī)長(zhǎng)期存在溫度偏高的缺陷，該電機(jī)是英國(guó)勞倫斯電機(jī)廠生產(chǎn)的高低速電機(jī)，額定電壓6 000 V，高低速功率為5 000 kW/2 900 kW。在機(jī)組運(yùn)行期間，該電機(jī)處于低速連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，冷卻方式為水冷，由SRI閉式冷水系統(tǒng)提供冷卻水。循泵電機(jī)2014年5月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 循泵電機(jī)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(環(huán)境溫度約22 ℃)

從表1可以看出，有2臺(tái)電機(jī)繞組溫度偏高，且4臺(tái)電機(jī)繞組溫度存在差異，溫度最大差值高達(dá)21 ℃，而運(yùn)行電流與環(huán)境溫度均無(wú)差異。盡管繞組溫度值仍處于運(yùn)行限值內(nèi)，但考慮到電機(jī)處于低轉(zhuǎn)速低功率運(yùn)行工況，離滿(mǎn)功率仍有43 %的距離，且溫度差異明顯，故認(rèn)為電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)存在異常。

2 可能的缺陷原因

根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理，分析造成電機(jī)繞組溫度高的原因可能有：

(1) 冷卻不足，即冷卻水溫度過(guò)高或流量不足，造成電機(jī)整體溫度高；

(2) 環(huán)境因素，即較高的環(huán)境溫度或不利的對(duì)流通風(fēng)，提高電機(jī)溫升；

(3) 電機(jī)本體發(fā)熱量大，即電機(jī)本體發(fā)熱與電機(jī)的銅耗、鐵耗和風(fēng)摩耗有關(guān)，其中風(fēng)摩耗主要與轉(zhuǎn)速有關(guān)，不是發(fā)熱的主要來(lái)源，電機(jī)內(nèi)部發(fā)熱主要由銅耗和鐵耗引起。

3 排查過(guò)程

3.1 檢查冷卻水

為排除缺陷，在電機(jī)運(yùn)行期間進(jìn)行了冷卻水溫度和流量測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 循泵冷卻水流量和溫度測(cè)量

根據(jù)測(cè)量結(jié)果，4臺(tái)電機(jī)的冷卻水流量和溫度無(wú)較大偏差，冷卻回路引起電機(jī)運(yùn)行異常的可能原因被基本排除。

3.2 排查環(huán)境因素

在2014年大修期間，將2CRF001MO(C624E0 1/4)與2CRF002MO(C624E01/2)電機(jī)互換位置，設(shè)備名稱(chēng)互換，電機(jī)編碼不變，隨后的監(jiān)測(cè)結(jié)果如表3所示(環(huán)境溫度約34 ℃)。

表3 2CRF001MO/2CRF002MO互換位置后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：原來(lái)溫度偏高的2CRF002MO電機(jī)(C624E01/2)在換位后溫度仍然偏高，因此確認(rèn)電機(jī)溫度高的缺陷來(lái)自電機(jī)本體，排除了外部因素的影響。

3.3 檢查電機(jī)鐵芯損耗

在排除電機(jī)外部因素影響后，從鐵耗和銅耗這2個(gè)方面進(jìn)行檢查。在循泵電機(jī)檢修期間進(jìn)行鐵損試驗(yàn)對(duì)比，根據(jù)電機(jī)的鐵芯測(cè)量參數(shù)，磁通密度取1 T，磁場(chǎng)強(qiáng)度取2．4 A/cm(經(jīng)驗(yàn)值)，單位質(zhì)量功率損耗取2．5 W/kg，90 min試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 鐵損試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表4可知，在相同試驗(yàn)條件下，2臺(tái)電機(jī)的溫升分別為11 K和7 K，均低于溫升標(biāo)準(zhǔn)值25 K，因此排除了鐵芯缺陷。

3.4 電機(jī)直流電阻檢查

查閱4臺(tái)電機(jī)的出廠數(shù)據(jù)，并與目前的直流電阻進(jìn)行對(duì)比，如表5所示，發(fā)現(xiàn)溫度高的2CRF002MO(C624E01/2)直流電阻變化率最大。

表5 循泵電機(jī)出廠直流電阻與目前值的對(duì)比

查閱檢修歷史文件，發(fā)現(xiàn)2002—2003年曾將電機(jī)編碼是C624E01/1和C624E01/2的電機(jī)送國(guó)內(nèi)電機(jī)修理廠進(jìn)行重新繞線(xiàn)處理。經(jīng)過(guò)上述排查后，認(rèn)為這2臺(tái)電機(jī)經(jīng)過(guò)送廠重新繞線(xiàn)處理后，因材料或工藝等原因增大了電機(jī)直流電阻和銅損耗，同時(shí)不排除其他偏差影響其散熱。

4 更換磁性槽楔的利弊

雖然已確認(rèn)造成電機(jī)發(fā)熱的根本原因來(lái)自電機(jī)繞組，但是更換繞組并不一定能保證電機(jī)達(dá)到原出廠狀態(tài)，因此考慮以減小電機(jī)運(yùn)行鐵耗來(lái)降低電機(jī)運(yùn)行溫度的方案。

經(jīng)過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外的電機(jī)生產(chǎn)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外大型電機(jī)在生產(chǎn)中已開(kāi)始采用磁性槽楔來(lái)降低電機(jī)鐵耗和提高電機(jī)運(yùn)行效率。目前，該核電廠也能夠接受對(duì)電機(jī)槽楔進(jìn)行更換的工作量。與非磁性槽楔相比，磁性槽楔對(duì)電機(jī)性能主要有以下影響。

4.1 對(duì)改善定轉(zhuǎn)子氣隙磁密分布的影響

當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，多數(shù)磁通將通過(guò)磁導(dǎo)較大的位置進(jìn)入轉(zhuǎn)子最終閉合。電機(jī)定子使用非磁性槽楔時(shí)，主磁通在定子槽口附近的氣隙中磁密分布很低，氣隙磁密分布不均勻，如圖1所示。使用磁性槽楔后，減小了槽口處的磁阻，使氣隙中的磁密趨于均勻，如圖2所示。由此可知，使用磁性槽楔可有效改善氣隙磁密分布，減小由諧波引起的附加損耗，從而降低電機(jī)運(yùn)行溫度。

圖1 非磁性槽楔磁通分布

4.2 對(duì)增大定子漏抗的影響

使用磁性槽楔會(huì)改變磁通經(jīng)過(guò)的路徑，從而增大定子槽部的漏抗，降低電機(jī)運(yùn)行溫度。主要原因是部分磁通通過(guò)槽楔形成閉環(huán)，從而不經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子，使得定子漏磁通增加。

圖2 磁性槽楔磁通分布

4.3 對(duì)降低鐵芯損耗的影響

電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，由于磁性槽楔磁導(dǎo)率的增大，減小了槽型對(duì)氣隙磁場(chǎng)分布的影響，改善了氣隙磁密的正弦性，減小了氣隙有效長(zhǎng)度，從而減小了電機(jī)鐵芯表面損耗，降低電機(jī)運(yùn)行溫度。

4.4 對(duì)電機(jī)運(yùn)行電流和力矩的影響

隨著磁性槽楔磁導(dǎo)率的增大，電機(jī)漏抗增大，電機(jī)空載電流和起動(dòng)電流也隨之減小；同時(shí)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩減小。磁性槽楔相對(duì)磁導(dǎo)率變化對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響如圖3所示。

圖3 電磁轉(zhuǎn)矩與槽楔相對(duì)磁導(dǎo)率之間的關(guān)系

4.5 對(duì)槽楔強(qiáng)度和壽命的影響

隨著磁導(dǎo)率的增高，槽楔在定子磁場(chǎng)中將產(chǎn)生渦流損耗，將增加本身的發(fā)熱量。由于磁性槽楔位于電機(jī)定子鐵芯沖片齒部的槽口處，承受著氣隙磁場(chǎng)各種交變力的作用，所以對(duì)槽楔的力學(xué)性能、電性能和磁性能均有較高的要求。

較高的磁導(dǎo)率有利于降低電機(jī)的鐵損，從而降低電機(jī)空載電流和電機(jī)轉(zhuǎn)矩。對(duì)CRF循泵電機(jī)而言，其主要缺陷為電機(jī)運(yùn)行期間繞組溫度高，這對(duì)電機(jī)的運(yùn)行可靠性及壽命都有不利影響。由于電機(jī)的負(fù)荷為常規(guī)泵，其正常運(yùn)行工況時(shí)的負(fù)荷遠(yuǎn)低于額定負(fù)荷，因而可以忽略啟動(dòng)力矩減少造成的影響。權(quán)衡利弊后，認(rèn)為更換磁性槽楔以降低循泵電機(jī)運(yùn)行溫度的方案是可行的。

5 改造實(shí)施和驗(yàn)證

2015年6月，對(duì)循泵電機(jī)C624E01/2實(shí)施技術(shù)改造，更換磁性槽楔，其主要步驟如下：

(1) 根據(jù)原槽楔尺寸選擇替代型號(hào)，采用德國(guó)伊索拉公司生產(chǎn)的磁性槽楔，其主常態(tài)彎曲強(qiáng)度大于150 MPa，2 000 A/cm下的磁感應(yīng)強(qiáng)度不小于0．7 T，3 000 A/cm下的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0．95 T，電阻率大于1 Ω·m；

(2) 按正常步驟解體電機(jī)，將轉(zhuǎn)子抽出后對(duì)電機(jī)定子進(jìn)行鐵損試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果溫升為10 K；

(3) 拆除電機(jī)定子槽楔，更換為磁性槽楔；

(4) 定子槽楔更換完成后，再次進(jìn)行定子鐵損試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果溫升為9 K；

(5) 定子真空浸漆(VPI)并回裝電機(jī)，進(jìn)行空載試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示：高速狀態(tài)運(yùn)行空載平均電流141 A，溫升20 K(改造前空載平均電流143．7 A，溫升36．3 K)。

空載試驗(yàn)證明：更換磁性槽楔后，電機(jī)的空載運(yùn)行電流和繞組運(yùn)行溫度都降低了，符合預(yù)期。

2016年1月，將技改后的電機(jī)更換至現(xiàn)場(chǎng)4CRF002MO設(shè)備位置，環(huán)境溫度均為4 ℃，對(duì)比與其他電機(jī)同樣工況下的繞組溫度(此時(shí)1CRF001MO由于鐵芯電灼傷缺陷，已更換為備用電機(jī))，結(jié)果如表6所示。

表6 CRF電機(jī)運(yùn)行溫度 ℃

對(duì)表6的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果看，該電機(jī)的繞組運(yùn)行溫度已經(jīng)明顯降低，與同類(lèi)同工況的電機(jī)比較已無(wú)明顯偏高，達(dá)到改造目的，改善了電機(jī)的運(yùn)行條件，同時(shí)該電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間也無(wú)明顯異常。

6 缺陷處理情況

該核電站1，2號(hào)機(jī)組長(zhǎng)期存在2臺(tái)循泵電機(jī)運(yùn)行溫度高的缺陷，對(duì)設(shè)備可靠性造成了不利影響。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)最終確認(rèn)了缺陷是由繞組直流電阻大引起的。由于重新更換繞組具有不確定性，從降低鐵損的方向考慮，權(quán)衡磁性槽楔對(duì)設(shè)備性能影響的利弊，最終決定進(jìn)行更換磁性槽楔的改造。改造后，降低了電機(jī)的運(yùn)行溫升，且電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的降低也未對(duì)水泵運(yùn)行造成不良影響，提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

7 后續(xù)關(guān)注

由于磁性槽楔在電機(jī)運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生渦流發(fā)熱，并承受電機(jī)磁場(chǎng)交變力的作用，因此在電機(jī)的解體維護(hù)過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)槽楔的檢查。同時(shí)，應(yīng)注意在對(duì)磁性槽楔進(jìn)行改造時(shí)，磁導(dǎo)率越高未必效果越好，因?yàn)榇艑?dǎo)率過(guò)高將造成起動(dòng)力矩、最大力矩降低，將對(duì)重負(fù)荷電機(jī)帶來(lái)性能下降的不利影響，危害電機(jī)正常運(yùn)行。

1 王 英．磁性槽楔在異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能中的應(yīng)用[J]．江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，15(2)：28-30．

2 梁艷萍，陳 晶，劉金鵬．磁性槽楔對(duì)高壓感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電磁參數(shù)和性能的影響[J]．電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2010，14(3)：1-5．

3 薛 易，李偉力，王立坤．轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁導(dǎo)電槽楔材料對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)參數(shù)和轉(zhuǎn)子表面損耗影響的研究[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35(7)：1 768-1 774．

2016-09-12；

2016-12-11。

楊 揚(yáng)(1986—)，男，工程師，主要從事電機(jī)維護(hù)和管理工作，email：yyang@cnnp．com．cn。

王瑞青(1985—)，男，工程師，主要從事低壓電氣檢修工作。

杜 剛(1981—)，男，工程師，主要從事電機(jī)檢修和設(shè)備管理工作。

羅 杰(1985—)，男，工程師，主要從事電機(jī)檢修工作。

王 超(1985—)，男，工程師，主要從事電機(jī)檢修工作。