某水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁極壓板局部過熱問題分析與處理

王建剛，王艷武

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

某水輪發(fā)電機額定功率120 MW，額定電流5 578.2 A，額定轉(zhuǎn)速115.4 r/min，基本數(shù)據(jù)如表1。

表1 水輪發(fā)電機基本數(shù)據(jù)

電站1#水輪發(fā)電機在A級檢修吊出發(fā)電機轉(zhuǎn)子后發(fā)現(xiàn)，52個轉(zhuǎn)子磁極上、下端部的磁極壓板表面均出現(xiàn)不同程度過熱灼傷痕跡、絕緣漆脫落情況，如圖1中線圈標示部分。

圖1 磁極壓板表面變色圖

1 原因分析

從現(xiàn)場圖片可以看出，發(fā)熱部位為上下端轉(zhuǎn)子磁極壓板，疊片部分沒出現(xiàn)過熱變色現(xiàn)象，而且發(fā)熱部位均為轉(zhuǎn)子直軸偏右位置。該項目磁極壓板采用的是導(dǎo)磁導(dǎo)電的金屬材料實體結(jié)構(gòu)，跟磁極的疊片結(jié)構(gòu)不同。并且該項目磁極的阻尼環(huán)在磁極壓板內(nèi)。在有負序運行工況時，磁極疊片內(nèi)由阻尼條產(chǎn)生渦流抵消負序電流的作用，而磁極壓板處則直接在其表面感應(yīng)渦流，引起發(fā)熱。所以，初步判斷該問題為氣隙磁場諧波在磁極壓板表面產(chǎn)生的渦流損耗而引起的過熱。

為了使以上分析的原因有理論依據(jù)，我們建立水輪發(fā)電機二維電磁場有限元模型進行計算分析，如圖2所示。為詳細分析，將磁極壓板表面分了兩層，電機逆時針方向旋轉(zhuǎn)。如圖3所示，耦合電路模型在定轉(zhuǎn)子繞組上施加額定電流，計算磁極表面損耗情況。

圖2 磁極壓板損耗計算模型

圖3 電路耦合模型

如圖4所示，采用場路耦合的時步有限元法對電機額定工況磁場進行了分析，可以看出，正常帶載運行時，磁場沿逆旋轉(zhuǎn)方向畸變，磁密較大位置的表面極易產(chǎn)生較大損耗。

圖4 磁場分布

取磁極壓板損耗云圖，如圖5所示，可以看出，損耗主要集中在表面，該部分損耗為2.3 kW。

圖5 極靴表面損耗分布

經(jīng)現(xiàn)場運行監(jiān)測，其動態(tài)氣隙最小僅為15 mm，針對此情況進行計算，結(jié)果如圖6所示，表面損耗大小為3.5 kW。

圖6 減小氣隙后磁極壓板表面損耗分布

采用Ansys有限元法進行磁極壓板溫升計算，根據(jù)壓板表面風(fēng)量及風(fēng)速進行邊界條件賦值，分別根據(jù)氣隙為17 mm時，壓板表面損耗為2.3 kW，氣隙為15 mm時，壓板表面損耗為3.5 kW情況進行熱源加載。溫升計算結(jié)果如圖7所示。

圖7 氣隙為17 mm時的磁極壓板溫度分布

根據(jù)溫升計算結(jié)果分析可知，當氣隙為17 mm時，壓板熱點溫度約為303.0 ℃；當氣隙為15 mm時，壓板熱點溫度約為444.3 ℃。

從以上分析的發(fā)熱位置看，與現(xiàn)場實際發(fā)生的磁極壓板發(fā)熱位置一致。從溫度數(shù)據(jù)上看，磁極壓板該位置溫度在303～444.3 ℃之間，完全可以引起表面油漆脫落。

2 問題處理

從上述分析來看，磁極壓板位置的渦流損耗發(fā)熱與該位置的氣隙大小有關(guān)。當氣隙增大時，磁極壓板該位置渦流損耗將會減小。所以，在不變動磁極疊片部位氣隙的情況下，可以通過增大氣隙的方式減小磁場對磁極壓板的影響。

將磁極壓板處的氣隙增大5 mm，壓板處氣隙為22 mm，則磁極壓板表面損耗為0.86 kW，如圖8所示。表面損耗大幅度減小，因此，調(diào)整氣隙大小可有效減小磁極壓板表面損耗。

圖8 增大5 mm氣隙后磁極壓板表面損耗分布

將磁極壓板處的氣隙增大5 mm，壓板處氣隙為22 mm時，壓板表面損耗為0.86 kW情況進行熱源加載。溫升計算結(jié)果如圖9。

圖9 氣隙為22 mm時的磁極壓板溫度分布

根據(jù)溫升計算結(jié)果分析可知，當氣隙為22 mm時，壓板熱點溫度約為143.4 ℃。該溫度在發(fā)電機正常運行合理范圍內(nèi)。

從目前發(fā)電機狀態(tài)來看，雖然磁極壓板溫度很高，但壓板與磁極線圈間有10 mm絕緣托板，該發(fā)熱沒有對發(fā)電機造成實質(zhì)上的影響。但始終是一個隱患，需要處理。由于可以通過墊片調(diào)整使轉(zhuǎn)子外圓直徑方向減少4 mm，增大氣隙，減少磁極壓板渦流損耗發(fā)熱。由于目前狀態(tài)不影響發(fā)電機的安全，可噴9130漆后運行。在以后大修時對磁極壓板進行優(yōu)化改造，增大該處氣隙5 mm，完全解決該發(fā)熱問題。

3 總結(jié)

水輪發(fā)電機磁極壓板溫升受損耗大小影響顯著。根據(jù)溫升計算結(jié)果可以看出，氣隙增加至22 mm時，磁極壓板熱點溫度可以得到顯著降低。

設(shè)計人員應(yīng)在上述問題中總結(jié)經(jīng)驗。當發(fā)電機氣隙相對較小時，在發(fā)電機設(shè)計初期，就應(yīng)事先對磁極壓板進行渦流損耗發(fā)熱分析，確保溫度在合理范圍內(nèi)，以保證發(fā)電機安全穩(wěn)定運行。