發(fā)電機(jī)定子溫度高原因分析及解決方案探討

陳 輝

（陜西江漢水電勘測設(shè)計(jì)有限公司，陜西 西安 710016）

發(fā)電機(jī)定子溫度高原因分析及解決方案探討

陳 輝

（陜西江漢水電勘測設(shè)計(jì)有限公司，陜西 西安 710016）

陜西省涇惠渠渠首電站自投運(yùn)以來，發(fā)電機(jī)一直存在定子溫度過高的問題，經(jīng)過十多年運(yùn)行，機(jī)組效率降低、絕緣老化嚴(yán)重，而且定子溫度過高的問題更加嚴(yán)重。解決好定子溫度過高是影響電站增效擴(kuò)容改造的關(guān)鍵，結(jié)合電站多年實(shí)際運(yùn)行資料整理，從機(jī)組本身發(fā)熱、通風(fēng)散熱通道及通風(fēng)冷卻系統(tǒng)等方面進(jìn)行分析，提出發(fā)電機(jī)定子采用“密閉循環(huán)通風(fēng)冷卻”的方案。改造后定子嚴(yán)格控制制造質(zhì)量、重新設(shè)計(jì)散熱通道，重點(diǎn)考慮定子通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的方式，并采用新型冷卻器，從根本上解決發(fā)電機(jī)溫度過高的問題，增加機(jī)組容量、提高設(shè)備效率以及運(yùn)行穩(wěn)定性、安全性，使電站改造達(dá)到預(yù)期效果。

增效擴(kuò)容改造；水輪發(fā)電機(jī)；運(yùn)行管理；分析

1 工程概況

涇惠渠渠首電站為水庫壩后式電站，總裝機(jī)容量為3×2500 kW，于1998年建成運(yùn)行至今。電站安裝3臺立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，為湖北白蓮發(fā)電設(shè)備制造廠生產(chǎn)，發(fā)電機(jī)型號為SF2500-32/3300，容量3125 kVA，功率因數(shù)0.8（滯后），出口額定電壓6.3 kV，額定電流286.4 A。發(fā)電機(jī)采用密閉循環(huán)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)，在發(fā)電機(jī)定子機(jī)座上安裝4臺空氣冷卻器，冷卻水壓力0.15～0.20 MPa，冷卻水總量40 m3/h，冷卻水管路接技術(shù)供水系統(tǒng)。由于河道泥沙較多，電站技術(shù)供水采用高位水池和水泵循環(huán)供水方式，清水來源為泉水。廠內(nèi)設(shè)清水池，由水泵將清水抽至高位水池，然后由高位水池自流至廠內(nèi)技術(shù)供水總管。

電站機(jī)組存在震動較大、發(fā)電機(jī)定子溫度過高及機(jī)組內(nèi)油霧嚴(yán)重等問題，3#機(jī)問題尤為突出。自投產(chǎn)以來運(yùn)行人員對3#發(fā)電機(jī)運(yùn)行溫度記錄見表1。

表1 3#機(jī)組運(yùn)行溫度記錄表

據(jù)表1可以看出，發(fā)電機(jī)溫度逐年上升，近三年來溫升較嚴(yán)重，最高溫度達(dá)147℃。由于機(jī)組發(fā)熱量過大且熱量無法及時排除廠外，造成廠房內(nèi)環(huán)境溫度升高，夏季基本在40℃左右，使電氣設(shè)備絕緣老化加速、運(yùn)行人員工作環(huán)境惡劣，容易發(fā)生安全事故。

為此，電站曾于2000年對定子冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改造，結(jié)合現(xiàn)有密閉循環(huán)冷卻方式并增加外循環(huán)冷卻方式。具體措施為：保持空氣冷卻器運(yùn)行狀態(tài)，同時在發(fā)電機(jī)上機(jī)架蓋板上安裝通風(fēng)管道引至廠外，管道出口安裝軸流風(fēng)機(jī)抽排熱風(fēng)，并將上機(jī)架蓋板掀開幾塊作為進(jìn)風(fēng)口。改造后發(fā)電機(jī)定子溫度略有降低，但是效果不顯著，近幾年來溫度升高明顯。

2 原因分析

2.1 油霧嚴(yán)重

發(fā)電機(jī)組用油部位為各部軸承潤滑油槽，但該機(jī)組油槽均為封閉式，油槽頂部只有觀察孔和加油孔，正常運(yùn)行中軸承甩油不會造成嚴(yán)重的油霧問題。但是當(dāng)機(jī)組內(nèi)部溫度過高時，會造成油揮發(fā)形成油霧，在機(jī)組內(nèi)部無法擴(kuò)散而粘在設(shè)備表面。因此機(jī)組內(nèi)溫度過高是造成油霧嚴(yán)重的根源。

2.2 定子溫度過高

引起定子溫度過高的原因有機(jī)組本身發(fā)熱量大、通風(fēng)散熱通道不暢、通風(fēng)冷卻系統(tǒng)故障。

（1）造成機(jī)組本身發(fā)熱量大原因有：①定子電壓過高，鐵損增加，導(dǎo)致定子鐵芯發(fā)熱量增大；②負(fù)荷電流過大，定子繞組銅損增加，導(dǎo)致線圈發(fā)熱量增大；③三相負(fù)荷電流不平衡或過負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)致機(jī)組發(fā)熱量增加；④定子鐵芯絕緣損壞，引起片間短路，造成鐵芯局部的渦流損失增加而發(fā)熱；⑤定子制造過程中鐵芯壓實(shí)度不夠、線棒絕緣層不均勻、鐵芯圓度差及后期組裝、安裝精度差等問題都會造成機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性差而造成發(fā)熱量大。

從多年運(yùn)行來看，電站繼電保護(hù)配置設(shè)有過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)及縱差動保護(hù)，而且機(jī)組運(yùn)行正常，沒有因?yàn)檫@些保護(hù)動作而停機(jī)，所以機(jī)組電磁回路正常，不會造成機(jī)組發(fā)熱量過大。從設(shè)備制造情況來看，發(fā)電機(jī)定子確實(shí)存在鐵芯疊片高度差別大、圓度差等問題，從而造成定、轉(zhuǎn)子間氣隙不均勻及機(jī)組震動大等問題，從運(yùn)行溫度記錄表中可以看出，自投運(yùn)以來機(jī)組溫度就偏高，因此發(fā)電機(jī)定子制造質(zhì)量不過關(guān)及機(jī)組安裝精度差等問題造成機(jī)組本身發(fā)熱量增加。

（2）通風(fēng)散熱通道不暢。由于3臺機(jī)組都存在運(yùn)行溫度高的問題，電站就該問題咨詢重慶賽力盟電機(jī)廠、杭發(fā)水電設(shè)備制造廠、云箭水電設(shè)備制造廠等4設(shè)備制造廠家，經(jīng)分析判斷，廠家一致認(rèn)為“原發(fā)電機(jī)定子風(fēng)道循環(huán)不暢，風(fēng)道循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在嚴(yán)重缺陷”。

（3）通風(fēng)冷卻系統(tǒng)故障。原機(jī)組采用的密閉循環(huán)冷卻方式，①通過長期運(yùn)行記錄來看，空氣冷卻器進(jìn)出水管路上的壓力表讀數(shù)正常，且電站在檢修期間對管路系統(tǒng)進(jìn)行清掃，不存在管路堵塞的問題。②供水管路上壓力表讀數(shù)在0.16～0.23 MPa，滿足冷卻水壓要求。③根據(jù)運(yùn)行記錄，技術(shù)供水高位水池水溫常年保持在18℃以下，水溫滿足要求。通過以上分析可知，空氣冷卻器水系統(tǒng)工作正常。

通過測量發(fā)現(xiàn)空氣冷卻器進(jìn)出口水溫差僅有1℃～5℃，由此可以判斷，發(fā)電機(jī)內(nèi)的熱量幾乎沒有通過空氣冷卻器。而后期電站對冷卻系統(tǒng)的改造，把原有的密閉循環(huán)冷卻改為外循環(huán)冷卻效果并不理想，也進(jìn)一步驗(yàn)證定子風(fēng)道循環(huán)不暢是造成機(jī)組定子溫度高的根本原因。

3 解決方案

通過對發(fā)電機(jī)定子溫度過高的原因分析，結(jié)合電站增效擴(kuò)容改造方案，更換發(fā)電機(jī)組，提高機(jī)組制造質(zhì)量外對定子風(fēng)道重新設(shè)計(jì)。重點(diǎn)考慮定子通風(fēng)冷卻系統(tǒng)，比較了“管道通風(fēng)冷卻”和“密閉循環(huán)通風(fēng)冷卻”兩個方案[1]。

采用管道通風(fēng)冷卻系統(tǒng)，可以將機(jī)組的熱量通過通風(fēng)管道排出廠外，新風(fēng)由發(fā)電機(jī)蓋板進(jìn)入機(jī)組，既能使發(fā)電機(jī)散熱降溫，也可調(diào)節(jié)廠內(nèi)空氣。但與外界空氣交換會使基坑內(nèi)塵土較多，甚至有鳥蟲進(jìn)入管道的可能影響機(jī)組運(yùn)行。經(jīng)計(jì)算，增容后發(fā)電機(jī)通風(fēng)量約6.5 m3/s，通風(fēng)管道尺寸寬1.8 m高1.2 m，需對基坑及廠房外墻開孔進(jìn)行鋪設(shè)，土建工程量增加且施工難度較大。

采用密閉循環(huán)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)，改造后發(fā)電機(jī)定子布設(shè)4臺空氣冷卻器，計(jì)算冷卻用水總量為48 m3/h，可利用現(xiàn)有冷卻水系統(tǒng)，但增容后空氣冷卻器進(jìn)出水位置發(fā)生變化，供排水管路需要改造。該方案基坑內(nèi)空氣不與外界交換，可保持基坑內(nèi)空氣清潔，工程量小。

通過比較，兩種方案均可解決該問題，而且這兩種通風(fēng)冷卻方式在實(shí)際運(yùn)行中比較多。針對本電站增效擴(kuò)容改造特點(diǎn)，盡量減少土建工程量[2]，尤其是對機(jī)坑及廠房結(jié)構(gòu)的破壞，因此本次改造后發(fā)電機(jī)定子采用“密閉循環(huán)通風(fēng)冷卻”的方案。

4 結(jié)論

改造后發(fā)電機(jī)定子重新設(shè)計(jì)風(fēng)道，并在機(jī)組制造過程中，定子鐵芯及線棒采用性能優(yōu)良的材料，絕緣等級達(dá)到F級，組裝后采用整體真空浸漆絕緣，并進(jìn)行整體運(yùn)輸，減少施工現(xiàn)場組裝，提高機(jī)組制造質(zhì)量，進(jìn)一步降低正常運(yùn)行時的發(fā)熱量。

此外，重點(diǎn)設(shè)計(jì)定子空氣冷卻器的散熱材料及結(jié)構(gòu)形式[3]。改造后定子空氣冷卻器采用散熱性能好的紫銅管，結(jié)構(gòu)形式采用整體刺片式。原空氣冷卻器結(jié)構(gòu)形式為單管式，即直接將銅管做成繞簧式，這種結(jié)構(gòu)形式通風(fēng)阻力小但散熱面積小，散熱效果較差。整體刺片式結(jié)構(gòu)，采用整張銅片按設(shè)計(jì)孔距沖片，降低銅片厚度并做成波浪形以增加散熱面積，在相等的散熱面積下銅片的間距增加，通風(fēng)阻力降低，散熱效果明顯提升。

定子增容改造后，提高制造工藝減少機(jī)組發(fā)熱、重新設(shè)計(jì)風(fēng)道使熱量排出暢通無阻；并采用整體刺片式空氣冷卻器增強(qiáng)散熱，從根本上解決發(fā)電機(jī)溫度過高的問題。改造后定子預(yù)期溫度約90℃，比改造前大幅降低，從而改善設(shè)備運(yùn)行環(huán)境及人員工作環(huán)境，提高電站運(yùn)行的穩(wěn)定性及安全性。

[1]GB/T27989-2011，小型水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件[S].

[2]GB/T50700-2011，小型水電站技術(shù)改造規(guī)程[S].

[3]上海電氣科學(xué)研究所，中小型電機(jī)設(shè)計(jì)手冊[S].機(jī)械工業(yè)出版社.

TV738

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1673-9000（2017）05-0162-03

2017-03-15

陳輝（1982-），男，陜西西安人，工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作。