淺析水輪發(fā)電機(jī)增容改造

杜 君

(五大連池市山口湖開發(fā)建設(shè)中心，黑龍江 五大連池 164100)

1 水輪發(fā)電機(jī)增容改造的途徑

水輪發(fā)電機(jī)增容改造首先取決于水輪機(jī)的性能。如果水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪性能優(yōu)良，出力裕度大，這就為發(fā)電機(jī)的增容改造奠定了良好的基礎(chǔ)。其次就是發(fā)電機(jī)本身發(fā)揮其應(yīng)有的潛力，同樣可以獲得增容改造的良好效果。

如改造定、轉(zhuǎn)子繞組，可減少其銅損，降低繞組溫升；改造通風(fēng)，可以減少通風(fēng)損耗，這些改造措施都能降低機(jī)組的內(nèi)部損耗，使出力相應(yīng)提高。

水輪發(fā)電機(jī)改造的途徑是多方面的，要根據(jù)被改造發(fā)電機(jī)的具體情況來決定。

對(duì)增容改造而言，最關(guān)鍵的問題是發(fā)電機(jī)的溫度。發(fā)電機(jī)控制溫度，應(yīng)根據(jù)絕緣溫度限制值來確定。對(duì)B級(jí)絕緣為130℃；F級(jí)絕緣為155℃。如果以機(jī)旁表計(jì)的最高指示值做為發(fā)電機(jī)運(yùn)行溫度的監(jiān)視值，應(yīng)考慮此值不是電機(jī)運(yùn)行的最高值。因此需考慮下列因素：

1)電機(jī)溫度沿軸向和周向(正對(duì)冷卻器和冷卻器之間)的不均勻。

2)上、下層線棒之間的槽間溫度與相對(duì)應(yīng)位置處絕緣內(nèi)的銅溫之差。

3)不理想的換位所造成的局部點(diǎn)銅溫與表盤指示值之差。

因此，發(fā)電機(jī)的實(shí)際連續(xù)運(yùn)行溫度應(yīng)控制在(機(jī)旁表計(jì))：①對(duì)B級(jí)絕緣≤100℃；②對(duì)F級(jí)絕緣≤120℃。

另外，電機(jī)的絕緣除溫度上升促進(jìn)熱老化外，還有電腐蝕老化；環(huán)境(包括溫度、微生物等)因素而引起的大氣老化；電磁、機(jī)械引起的機(jī)械力、振動(dòng)的傷害等。更主要的還有不同的制造廠家制造的定子線棒在質(zhì)量上差別較大，故發(fā)電機(jī)的實(shí)際連續(xù)運(yùn)行控制溫度應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況綜合確定。

2 立式水輪發(fā)電機(jī)熱量的產(chǎn)生、導(dǎo)散及發(fā)電機(jī)的溫度和溫升

2.1 主要損耗的導(dǎo)散

發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，將在發(fā)電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生如下?lián)p耗。

1)定子繞組的銅損耗PCU。

2)定子鐵芯的鐵損耗PFe。

3)勵(lì)磁繞組的銅損耗Pe。

4)風(fēng)靡損耗PV。

5)軸承損耗Pd。

以上這些損耗除Pd之外，其它損耗均由電機(jī)的冷卻系統(tǒng)傳出。對(duì)空冷發(fā)電機(jī)大體分配如下：定子銅損占總損耗的20%-25%；鐵損占總損耗的20%-24%；勵(lì)磁損耗占總損耗的18%-22%；風(fēng)靡損耗占總損耗的30%-40%。這些損耗將轉(zhuǎn)化成熱量，由電機(jī)內(nèi)穿過各包圍物體，不斷向外導(dǎo)出。在沿?zé)崃繉?dǎo)出的路徑上形成了不同的溫度。當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定時(shí)，發(fā)電機(jī)發(fā)出的熱量一定等于散出的熱量，沿途各溫度值也不變。不論何種發(fā)電機(jī)，熱量的導(dǎo)散都分為3種方式：

1)固體內(nèi)的熱傳導(dǎo)(傳導(dǎo))。

2)固體散熱表面對(duì)空氣的放熱(輻射)。

3)冷卻空氣隨帶熱量與水或?qū)χ車髿膺M(jìn)行熱量交換(對(duì)流)。

2.2 發(fā)電機(jī)定子熱量導(dǎo)散流程

發(fā)電機(jī)定子熱量導(dǎo)散流程圖見圖1。

圖1 發(fā)電機(jī)定子熱量導(dǎo)散流程圖

如圖1所示，在熱量導(dǎo)散的路徑上，各包圍物體的分界面上的溫度為：tCU;tFe;tC;t1;t2;t3;t4形成個(gè)物體內(nèi)的溫度降。

tCU-tFe=△Ti為絕緣溫降；

tFe-tC=△TFe為鐵芯溫降；

tC-t2=△TS為表面溫降；

T2-t1=△TV為風(fēng)溫降；

T1-t4=△TK為水溫降。

2.3 定子線圈和鐵芯的熱傳導(dǎo)

定子線圈的熱量首先穿過絕緣層，再進(jìn)入鐵芯內(nèi)，然后與定子鐵芯的熱量一起，傳到鐵芯散熱表面上。這種發(fā)生在固體內(nèi)的熱量傳動(dòng)，屬于固體的熱傳導(dǎo)方式，按付立葉方程，絕緣和鐵芯的內(nèi)外表面溫降分別為：

(1)

(2)

式中：δi為定子繞組絕緣單邊厚度；LFe為定子鐵芯平均導(dǎo)熱路徑長(zhǎng)度；λi為定子繞組絕緣的熱傳導(dǎo)系數(shù)；λFe為鐵芯的平均導(dǎo)熱系數(shù)；Si為線棒絕緣的外表面積；SFe為鐵芯的外表面積。

當(dāng)導(dǎo)熱量不變時(shí)，固體內(nèi)的熱傳導(dǎo)，產(chǎn)生在固體內(nèi)與外表面上的溫差，與固體厚度成正比，與材料的導(dǎo)熱系數(shù)及散熱表面積成反比。

2.4 線圈和鐵芯表面對(duì)空氣的散熱

線圈和鐵芯的熱量傳到定子散熱表面后，由流經(jīng)定子表面(風(fēng)溝及內(nèi)外表面)的空氣吸收并帶出，冷風(fēng)變成熱風(fēng)。發(fā)生在固體表面與流動(dòng)的空氣之間的熱量轉(zhuǎn)移，即為空氣的放熱過程。固體表面對(duì)空氣的溫降，按牛頓方程為：

(3)

式中：αV為冷卻空氣的放熱系數(shù)，主要和空氣流速的0.8次方成正比。

熱量一定時(shí)，表面溫降與放熱系數(shù)、散熱表面積成反比。鐵芯散熱表面積越大，風(fēng)溝內(nèi)空氣的流速越高，表面溫降越小。

2.5 冷卻器內(nèi)外的風(fēng)溫降

熱風(fēng)通過冷卻器后，將熱量傳給水重新變成冷風(fēng)，熱風(fēng)與冷風(fēng)的溫降：

(4)

式中：CV為空氣的熱容量；Q0為通過冷卻器的風(fēng)量(電機(jī)的總風(fēng)量)

由上式可知，損耗產(chǎn)生的熱量一定，風(fēng)量越大，風(fēng)溫降越小。

2.6 通過冷卻器的風(fēng)水平均溫降

發(fā)生在冷卻器內(nèi)的是熱風(fēng)穿過冷卻器，將熱量傳至冷卻管，自身變成熱風(fēng)；冷卻水流入冷卻管內(nèi)，吸收冷卻管傳來的熱量變成熱水，此過程為兩種流體的熱交換過程。如不考慮冷卻器周邊的散熱，空氣放出的熱量恒等于水吸收的熱量。冷卻器內(nèi)的熱交換過程是管外空氣和管內(nèi)水對(duì)各自接觸表面的放熱過程和管壁由外向內(nèi)傳熱過程的綜合[2]。此時(shí)風(fēng)和水的平均溫降。

(5)

式中：KL為冷卻器的傳熱系數(shù)；FL為冷卻器風(fēng)側(cè)總表面積。

冷卻器的風(fēng)水溫降，在熱損耗一定時(shí)，與冷卻器傳熱系數(shù)KL及風(fēng)側(cè)散熱表面積FL成反比。

2.7 電機(jī)的溫度和溫升

如圖(1)所示，電機(jī)線圈的溫度將等于熱路上各點(diǎn)溫降之和：

Tcu=ΔTi+ΔFFe+ΔTS+ΔTr+ΔTK+T4

(6)

式中所表達(dá)的電機(jī)溫度組成式，具體有如下2個(gè)特點(diǎn)。

1)穩(wěn)定性：除冷水溫度t4外，其余各溫降在同一負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)其數(shù)值不變。

2)獨(dú)立性：電機(jī)負(fù)荷一定時(shí)，改變其中任何一項(xiàng)，其余數(shù)值基本不變。

式中的第一項(xiàng)和第二項(xiàng)為電機(jī)的結(jié)構(gòu)溫升，只和電機(jī)的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)及制造工藝有關(guān)，要想降低這部分溫升，只能在材料、結(jié)構(gòu)方面采取措施。

式中的第三項(xiàng)和第四項(xiàng)為電機(jī)的通風(fēng)溫升，只和通風(fēng)系統(tǒng)有關(guān)，降低這部分溫升，應(yīng)從通風(fēng)系統(tǒng)入手。

前四項(xiàng)之和為電機(jī)本體的溫升，電機(jī)本體溫升是考察電機(jī)本身質(zhì)量的重要指示，它和環(huán)境無關(guān)，電機(jī)負(fù)荷一定時(shí)，其值不變。

式中的第五項(xiàng)和第六項(xiàng)之和為電機(jī)的環(huán)境溫升。

由式中可以看出，降低電機(jī)的溫度可以降低式中任意一項(xiàng)或幾項(xiàng)著手。診斷電機(jī)的溫度，就是比較式中各項(xiàng)數(shù)值與設(shè)計(jì)值或正常電機(jī)相應(yīng)值的差別，哪一溫區(qū)段超標(biāo)，就從哪一段去分析、改造，可事半功倍。

另從6式電機(jī)溫度的基本關(guān)系式，并利用電機(jī)實(shí)際表盤溫度計(jì)的指示值，分析電機(jī)各段溫差，是診斷電機(jī)溫度過高或需降溫的主要矛盾和手段。

電機(jī)表盤各指示值與式(2-6)比擬如下：

槽間溫度—槽底溫度≈絕緣溫降ΔTi

槽底溫度—熱風(fēng)溫度≈鐵芯溫降ΔTFe+表面溫降ΔTs

熱風(fēng)溫度—冷風(fēng)溫度≈風(fēng)溫降ΔTv

冷風(fēng)溫度—冷水溫度≈冷卻器平均風(fēng)水溫降ΔTk。

3 定子繞組更新

定子繞組更新在發(fā)電機(jī)的改造中是經(jīng)常發(fā)生的，通常在以下幾種情況下進(jìn)行定子繞組更新：

1)機(jī)組發(fā)生故障(短路、接地)而引起的定子繞組絕緣損壞，無法繼續(xù)運(yùn)行，必須進(jìn)行定子繞組更新。

2)機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行，導(dǎo)致定子繞組絕緣老化，性能急劇下降，并已到了一定的壽命期，繞組需更新。

3)電機(jī)容量增加，電負(fù)荷增加，原繞組已不能適于增容后新的電磁參數(shù)的要求。

無論上述哪一種情況，當(dāng)了繞組更新時(shí)，都會(huì)存在發(fā)電機(jī)增容的空間，其理由是：

過去(20世紀(jì)60-70年代)的水輪發(fā)電機(jī)定子繞組多為A級(jí)絕緣，由于A級(jí)絕緣的熱傳導(dǎo)系數(shù)較低，僅為0.0016W/cm℃,在絕緣溫升允許范圍內(nèi)，發(fā)電機(jī)的出力必然受到影響。而現(xiàn)在廣泛使用的B級(jí)、F級(jí)桐馬-環(huán)氧粉云母帶，其熱導(dǎo)系數(shù)為0.002W/cm℃。因此將A級(jí)絕緣改換成B級(jí)或F級(jí)絕緣，在絕緣厚度相同的條件下，就可以使發(fā)電機(jī)的出力提高10%-15%。在相同的電壓等級(jí)條件下，采用B級(jí)或F級(jí)環(huán)氧粉云母絕緣，其繞組的絕緣厚度可減薄15%-20%。絕緣厚度的減薄有利于繞組的散熱，在原有槽形不變的情況下。就可增加繞組銅線截面積，增加機(jī)組的輸出功率[3-4]。

4 定子鐵芯更新

定子改造時(shí)，如改造的機(jī)組運(yùn)行時(shí)間(如不超過10a)不是太久，機(jī)組運(yùn)行時(shí)定子溫度不高，一般定子鐵芯可不做更換。

如果定子鐵芯長(zhǎng)時(shí)間過熱，就會(huì)加速片間絕緣的老化，使用有機(jī)漆絕緣的鐵芯更容易出現(xiàn)這種情況。這是因?yàn)闇囟冗^高會(huì)使溶劑中的低分子成分揮發(fā)，造成漆膜過度干燥，變脆、開裂，最終剝落。由此導(dǎo)致片間短路故障，造成渦流增加，并會(huì)使鐵芯運(yùn)行溫度逐漸升高，甚至出現(xiàn)局部熔化。

除了改進(jìn)結(jié)構(gòu)外，從增容方面，可以從以下幾點(diǎn)考慮：

1)改變定子槽數(shù)，優(yōu)化電磁方案。發(fā)電機(jī)增容與定子線負(fù)荷AS值有關(guān)，當(dāng)發(fā)電機(jī)主要尺寸和支路數(shù)不變時(shí)，AS值又與定子槽數(shù)有直接關(guān)系。因此優(yōu)化電磁方案時(shí)如有可能適當(dāng)?shù)卦黾佣ㄗ硬蹟?shù)，以此達(dá)到發(fā)電機(jī)增容的目的。

2)選用優(yōu)質(zhì)材料，降低發(fā)電機(jī)鐵芯損耗。定子鐵芯更換時(shí)，可選用高導(dǎo)磁，低損耗的優(yōu)質(zhì)硅銅片，以降低發(fā)電機(jī)鐵損耗，提高效率，增加發(fā)電機(jī)出力。

3)優(yōu)化定子鐵芯設(shè)計(jì)，改善通風(fēng)，冷卻條件。近年來的研究成果表明，定子通風(fēng)溝高度和鐵芯厚度對(duì)鐵芯部分的冷卻尤為重要。據(jù)理論分析和實(shí)踐證明，一個(gè)10mm高通風(fēng)溝內(nèi)的空氣，兩邊各有3mm寬的一層與鐵芯壁接觸，進(jìn)行有效的熱交換冷卻定子鐵芯，而其余的4mm寬的中間帶對(duì)鐵芯的冷卻影響很小。因此，改造和更換定子鐵芯時(shí)，適當(dāng)減小通風(fēng)溝高度(可改為6mm),同時(shí)在保證定子鐵芯總長(zhǎng)不變的情況下，適當(dāng)減薄定子鐵芯段的厚度，可以大大改善定子鐵芯的冷卻條件，為發(fā)電機(jī)的增容提供了保證。

5 轉(zhuǎn)子部分更新

根據(jù)國(guó)內(nèi)外水輪發(fā)電機(jī)增容改造的經(jīng)驗(yàn)，發(fā)電機(jī)增容10-15%時(shí)，一般轉(zhuǎn)子部件可不做變動(dòng)。但轉(zhuǎn)子電流和電壓將有所增加，故增容時(shí)會(huì)受到轉(zhuǎn)子溫升的限制，在這種情況下要對(duì)轉(zhuǎn)子部件進(jìn)行相應(yīng)地改造。

1)改變功率因數(shù)。在條件允許的情況下，適當(dāng)提高發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)，使其轉(zhuǎn)子電流不超過允許值，以有效地將轉(zhuǎn)子溫升控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，而使發(fā)電機(jī)出力增加。

2)轉(zhuǎn)子線圈更新。轉(zhuǎn)子線圈與定子線圈不同，散熱條件也不一樣。

圖2 轉(zhuǎn)子線圈斷面圖

由圖2可見，轉(zhuǎn)子線圈被厚厚的極身絕緣所包圍，幾乎不能向極身傳熱，匝與匝之間熱密度相等，也沒有熱量傳遞，唯一能傳熱的就是線圈的側(cè)表面。按圖2熱流方向成一維傳熱方式傳熱，轉(zhuǎn)子溫升表達(dá)式為：

(7)

式中：b為轉(zhuǎn)子線圈銅線寬；Se為轉(zhuǎn)子線圈銅線的側(cè)表面；λcu為銅的平均導(dǎo)熱系數(shù)；αe為表面散熱系數(shù)；Qe為直接吹拂轉(zhuǎn)子磁極線圈的風(fēng)量

(8)

由此可見，轉(zhuǎn)子的溫升，主要取決于線圈的損耗Pe和吹拂線圈的風(fēng)速大小及側(cè)表面面積。

線圈的損耗主要是直流電陰損耗：

Pe=IeRe

(9)

式中：設(shè)轉(zhuǎn)子線圈銅線厚度為d；寬度為b；匝數(shù)為n；每匝長(zhǎng)度為L(zhǎng)n；極身高度為He；于是轉(zhuǎn)子線圈銅線斷面積為bd；散熱表面積Se=nLnd=HeLn

故式(5-1)以安匝數(shù)計(jì)算，轉(zhuǎn)子溫升為：

(10)

若以電流密度je計(jì)算，則有：

(11)

由式(5-3)、(5-4)的反映，可得出轉(zhuǎn)子線圈更新的4個(gè)結(jié)論：

1)關(guān)于加匝，加匝后若能使銅線總有效高度增加，轉(zhuǎn)子溫升將有明顯降低，否則不起作用。

2)關(guān)于轉(zhuǎn)子線圈銅線加寬，若保持安匝數(shù)不變，可使溫升稍有降低；若保持電流密度不變，加寬后不但不能降低溫度，可能還會(huì)使溫升增加。

3)不論以什么為基準(zhǔn)計(jì)算，采用七邊形銅線或增加散熱匝，增大表面散熱面積，是最有效的降溫辦法。

4)增大對(duì)轉(zhuǎn)子線圈表面冷風(fēng)的吹拂，也是降低轉(zhuǎn)子溫升的有效辦法。

6 通風(fēng)系統(tǒng)改造

6.1 通風(fēng)系統(tǒng)

通風(fēng)系統(tǒng)的重要性，已逐漸為人們所認(rèn)識(shí)，主要在于以下5點(diǎn)：

1)通風(fēng)系統(tǒng)是把電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量由內(nèi)部散到外部的橋梁。

2)在電機(jī)運(yùn)行的溫度組成中，風(fēng)系統(tǒng)對(duì)溫升的作用(流體的對(duì)流作用)，約占全部的30%以上。

3)風(fēng)系統(tǒng)自身的損耗，約占發(fā)電機(jī)總損耗的30%.

4)通風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，直接影響電機(jī)的檢修、維護(hù)和安裝運(yùn)行。

5)20世紀(jì)70年代制造的水輪發(fā)電機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)相對(duì)落后，采用先進(jìn)的方法進(jìn)行改造，潛力很大。

6.2 密閉自循環(huán)系統(tǒng)

圖3 密閉自循環(huán)雙路徑向通風(fēng)系統(tǒng)

此種通風(fēng)系統(tǒng)(圖3)風(fēng)量利用率不高且通風(fēng)損耗過大。實(shí)測(cè)表明大約有30%-40%的風(fēng)量是流經(jīng)上、下端部，而定子槽正是發(fā)電機(jī)最熱的部分，其損耗約占定子損耗的90%，而冷卻槽部的風(fēng)量卻只有總風(fēng)量的70%。故此通風(fēng)系統(tǒng)需改進(jìn)、提升。

6.3 雙路徑向無風(fēng)扇通風(fēng)系統(tǒng)

圖4 雙路徑向無風(fēng)扇端部回風(fēng)通風(fēng)系統(tǒng)

近年來，在大中型水輪發(fā)電機(jī)上都采用了雙路徑向無風(fēng)扇端部回風(fēng)通風(fēng)系統(tǒng)(圖4)，這種通風(fēng)系統(tǒng)與密閉自循環(huán)雙路徑向通風(fēng)(圖3)系統(tǒng)比較，有以下3個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

1)總風(fēng)量可減少20%-30%，但全部風(fēng)量都集中在定子的有效段，因此可使定子最高溫度點(diǎn)的溫度降低。

2)通風(fēng)損耗大大降低，電機(jī)的效率明顯提高。

3)檢修維護(hù)方便，運(yùn)行更加安全。

總之，這種通風(fēng)系統(tǒng)主要是減少風(fēng)量，降低損耗，使發(fā)電機(jī)效率得到提高。

7 水輪發(fā)電機(jī)增容改造應(yīng)注意的事項(xiàng)

水輪發(fā)電機(jī)是多學(xué)科、多專業(yè)的產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。在增容改造時(shí)，除定、轉(zhuǎn)子外，對(duì)其它主要部件如支架、軸承、冷卻系統(tǒng)等均需做詳盡分析，最后做出綜合評(píng)估。