西霞院水電站發電機定子溫度高原因分析與診斷

郭萬欣，王帥琦，金 洋

（黃河水利水電開發集團有限公司，河南 濟源 459017）

1 概述

西霞院水電站是小浪底水利樞紐的配套工程，裝設有4 臺水輪發電機組[1]，采用由通用電氣亞洲水電設備有限公司設計制造的SF－J35－80/10470型立軸、傘式發動機，額定功率35 MW，額定容量47.176 MVA，額定電壓10.5 kV，功率因數0.85（滯后），效率97.5%。發電機定子由4 個部分組成，在現場組合整圓后焊成整體；其主絕緣線圈按照通用電氣加拿大定子絕緣系統標準生產，采用環氧粉云母帶包扎的全固化圈式線圈，絕緣等級為F 級。轉子由主軸、轉子支架、磁軛和磁極組成，采用磁軛壓板帶離心式徑向風扇的結構。發電機冷卻方式采用全密閉循環空冷，在機座外壁均勻裝有8 只基伊埃生產的ESV-S141 型空氣冷卻器，冷卻水流量198 m3/h,工作壓力為0.3～0.5 MPa；冬季采用開啟式與密閉自循環相結合的冷卻方式，在每個空氣冷卻器支架開有取暖孔取暖。常規運行模式下，西霞院機組定子線圈溫度相對環境溫度允許溫升為85 K，一般按照不超過120 ℃控制。

2 事件描述

2022 年3 月，運行人員在進行西霞院水電站機組狀態研究分析時，通過對1 年來西霞院水電站7號～10 號機組各部溫度有效值的對比分析。發現10 號機組定子線圈和定子鐵心溫度雖在正常運行范圍內，但與其他機組相比明顯較高。西霞院水電站1 年來7 號～10 號機組溫度對比如圖1 所示。通過對1 年來10 號機組定子繞組和定子鐵心溫度進行分析對比，發現其定子溫度是自2021 年8 月25日之后明顯升高的，此時10 號機經過一段時間的停機避沙后重新并網發電。

圖1 西霞院水電站1 年來7 號～10 號機組溫度

發電機組長期處于高溫條件下運行，會對定子絕緣造成損壞，使絕緣發生脆化，機械強度減弱，較少其使用壽命，如果溫度過高將會引起定子線棒絕緣老化、定子線棒機械強度降低，甚至引起定子燒毀重大事故，造成較大的經濟損失；并且高溫發電機的定子電阻率高、損耗大，會降低發電機效率，水輪發電機組水資源利用率大大降低，造成棄水，不利于西霞院水利樞紐綜合效益的全面發揮[2]。另外，定子溫度長時間較高，還會造成發電機組基坑內溫度偏高，加速機組自動化元件的老化，不利于發供電設備安全穩定運行[3,4]。

3 原因分析

3.1 發電機測溫模塊故障

發電機定子繞組測溫方式一般選用埋入式溫度檢測計，西霞院發電廠水輪發電機采用電阻式檢測計，每根定子線棒上都有兩個測溫元件，分別埋置于定子線棒的中部上、下層，并用導線連接至測溫模塊，測溫模塊將感溫電阻的阻值轉化為溫度值傳輸給上位機，通過感溫電阻的阻值變化來測量埋置溫度檢測計地點的溫度變化[5]。

由于西霞院發電廠10 號發電機組的定子溫度整體升高，可以判定并非單個測溫單元故障所引起，對發電機定子測溫模塊進行檢查校驗后重新并網運行，10 號發電機組定子溫度與校驗前無變化，可以判定其定子溫度升高不是由發電機測溫模塊故障所引起的。

3.2 發電機三相不平衡

當發電機三相不平衡時，定子處在電磁感應的作用下會產生一個與發電機轉動磁場方向相反的新磁場，此時因為發電機在水輪機的帶動下持續旋轉，產生的順序旋轉磁場較大，因此水輪發電機組仍然按照順序磁場進行旋轉。但是在定子產生的逆序磁場的作用下，形成了與發電機組旋轉方向相反的作用力，使得發電機組的發電效率降低，還影響發電機組的使用壽命；同時，逆序磁場的存在還會形成負序電流，造成發電機損耗增加，轉子振動加大，機組發熱量增加，定轉子溫度升高。

按照水輪發電機的設計要求，水輪機的三相電流之差，不得超過額定電流的20%，不得大于其額定值，允許擔負的負序電流不得大于額定電流的12%。

如圖2、圖3 所示，通過對西霞院水電站1 年來10 號機組三相電壓、電流進行分析，明顯可以看出10 號機組不存在三相電壓、電流不平衡的情況。因此10 號機組定子溫度高不是由于三相電壓不平衡導致。

圖2 西霞院水電站1 年來10 號機組三相電壓

圖3 西霞院水電站1 年來10 號機組三相電流

3.3 定子振動過大

發電機定子振動產生的原因有很多：發電機三相不平衡、安裝位置不達標、轉子中心位置不正、定子磁軛間隙有灰塵沉積等。發電機定子振動過大會使定子安裝位置松動，發熱量增加，發電效率降低。西霞院水電站發電機組定子鐵心振動定值為：水平方向震動值不得超過60 μm；垂直方向震動值不得超過20 μm。從圖4 可以看出，通過對1 年來10號機組定子鐵心振動值進行分析，10 號機組定子的水平和垂直振動值均在正常范圍內，并未發現振動過大的情況。

圖4 西霞院水電站1 年來10 號機組定子振擺值

3.4 空氣冷卻器效率較低

根據熱平衡原理，發電機在運行過程中發電機的散熱量與空氣冷卻器強制熱交換量、風洞及發電機外殼向外輻射熱量之和相等，此時發電機則可在運行中保持恒定溫度[4]。即：

式中：Q1為空氣冷卻器強制熱交換量，Q2為風洞及發電機外殼向外輻射熱量之和，mw為空氣冷卻器冷卻水流量，cw為空氣冷卻器冷卻水比熱容，tw2-tw1為空氣冷卻器冷卻水進出口溫差，h為換熱系數。

由于西霞院水電站發電機所在的風洞為密閉空間且風洞壁較厚，因此可將風洞向外輻射散熱量忽略。對于發電機外殼散熱，可將其看成無限空間自由運動換熱，由于相對于空氣冷卻器換熱量小得多，因此也可將其忽略不計。可以得出結論：在機組運行過程中，運行工況一定的情況下，發電機定轉子溫度是由空氣冷卻器的換熱效率所決定的。

通過對1 年來7 號～10 號機組空氣冷卻器冷卻水進出口溫差進行對比，發現10 號機組空氣冷卻器冷卻水進出口溫差明顯比其他機組低。發電機在運行過程中發電機的散熱量不變，因此可以認為10 號機組定子溫度升高是由空氣冷卻器換熱系數降低所引起的。

發電機組空氣冷卻器的換熱效率受以下幾個因素的影響：

（1）冷卻水的流量和壓力

通過熱平衡方程可知道，機組熱損耗量一定時，空氣冷卻器冷卻水流量越大，其換熱效率越高。西霞院工程發電機組技術供水主水源采用循環供水方式供水，每兩臺機為1 個供水單元，共設兩個供水單元，每單元設置3 臺循環水泵（深井泵）、4 組尾水冷卻器及1 臺電控柜。循環供水系統主要由供水水泵（深井泵）、尾水冷卻器、循環水池、機組冷卻器、閥門、管路、表計以及控制系統等組成。供水水泵從循環水池中抽取循環水進入供水管，通過安裝在機組尾水出口閘墩之間橫梁上的尾水冷卻器將水冷卻，然后經供水管送入機組各冷卻器，最后通過回水管送回到循環水池。發電機組空氣冷卻器額定用水量mw為3 300 L/min，通過調取上位機10 號機組空氣冷卻器流量數據進行分析，10 號機組空氣冷卻器冷卻水流量并未明顯低于歷年，并且冷卻水循環泵的供水壓力壓力恒定。因此可以得出結論：西霞院10 號機組定子溫度偏高與空氣冷卻器冷卻水流量及壓力無關。

（2）冷卻肋片變形

空氣冷卻器冷卻肋片變形會導致此處冷卻水流量降低或阻斷，變形的肋片相互交錯也會讓空氣冷卻器換熱面積減小，降低空氣冷卻器整體換熱效率，使得發電機定轉子局部過熱。此情況可根據發電機定轉子各個測溫點溫度差來進行判定，如若部分測溫點溫度較其他高，則此處堵塞或肋片變形。根據對西霞院10 號機組各個測溫點進行分析判定，其定子溫度偏高與空氣冷卻器冷卻肋片變形無關。

（3）冷卻器換熱系數降低

空氣冷卻器對于發電機組的換熱可以看成管內流體對外強迫換熱，因此其換熱系數的值取決于管路兩側流體的種類、速度以及管徑、材質、本體導熱系數等。對于西霞院電站發電機組空氣冷卻器來說，冷卻水流量不變，其換熱系數主要取決于空氣冷卻器本身的導熱性能。空氣冷卻器表面積灰，管路和冷卻器內部銹蝕或結垢等因素均會造成空氣冷卻器換熱效率降低。通過對西霞院10 號機組空氣冷卻器拆除檢查發現：進出口管路內壁結有較厚的水垢，利用專業清潔劑對空氣冷卻器內部管路進行清理發現其內部管路也有較多雜質。

4 處理結果

經過分析判定，西霞院水電站10 號機組定子溫度異常升高的原因為空氣冷卻器內部管路結垢導致其換熱系數減小，換熱效率降低。最終將10 號機組空氣冷卻器進行清理更換，更換后重新并網運行，通過對其定子線圈和定子鐵心溫度跟蹤觀察發現：西霞院10 號機組定子線圈和定子鐵心溫度相較于更換空冷器前有明顯降低，與其他機組相比相差不大。由于西霞院水電站機組技術供水取自地下清水循環供水，水中含有較多可溶性雜質，長時間運行會在空冷器內管壁形成水垢，因此在機組長時間運行后應進行定期清理，防止定子溫度異常升高的狀況再次發生。

5 結論

發電機組定子溫度高可能有多方面原因，如測溫模塊故障、三相不平衡、振動過大、長時間高負荷運行、冷卻水溫度高、空氣冷卻器換熱效率降低等。通過數據分析對各種原因進行分析判定，將西霞院水電站10 號機組定子溫度高的原因鎖定為空氣冷卻器堵塞導致換熱效率低下，經更換空氣冷卻器后10 號機組定子繞組和定子鐵心溫度明顯降低。