中小型水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心溫高異常分析

廖 白 蓮， 鄭 權(quán)， 龍 長 華， 曾 偉， 馬 坤 彬

(四川華能康定水電有限責(zé)任公司，四川 甘孜 626000)

0 引 言

隨著水輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行時(shí)間加長，部分機(jī)組出現(xiàn)老化情況[1]，尤其是定子鐵心在長時(shí)間運(yùn)行中出現(xiàn)的溫升異常問題，會(huì)對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅[2]。目前，發(fā)電機(jī)的溫升異常主要是由于結(jié)構(gòu)或者繞組老化等原因?qū)е聯(lián)p耗偏高引起的[3-4]。然而，對(duì)于引起發(fā)電機(jī)溫升異常的具體原因還需要根據(jù)理論分析和定子鐵心實(shí)驗(yàn)才能得出[5]。

1 機(jī)組溫高狀況

某水電站3F機(jī)組夏季滿負(fù)荷(60 MW)運(yùn)行時(shí)定子溫度整體偏高，比相同工況下1F、2F機(jī)組整體偏高10 ℃左右，其中3號(hào)、15號(hào)、18號(hào)點(diǎn)最高溫度超過報(bào)警設(shè)定值(80 ℃)。對(duì)歷年3F機(jī)組的鐵心最高溫度以及滿負(fù)荷下各部位平均溫度對(duì)照分析，在機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下，除水導(dǎo)部位外，3F機(jī)組各部位整體溫度高于1F、2F機(jī)組，尤其是3F機(jī)組定子鐵芯平均溫度高于1F、2F機(jī)組約15 ℃，而3F機(jī)組空冷器熱風(fēng)溫度比1F、2F機(jī)組亦高出10 ℃左右。運(yùn)行期間發(fā)現(xiàn)，滿負(fù)荷情況下，3F機(jī)組循環(huán)水池水溫也比1F、2F機(jī)組高約5 ℃，由此可初步判斷3F機(jī)組定子部分產(chǎn)生的熱量大于1F、2F機(jī)組或者3F機(jī)組冷卻系統(tǒng)散熱能力弱于1F、2F機(jī)組。

2016～2019年對(duì)3F機(jī)組定子鐵心溫度報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表1)。根據(jù)負(fù)荷、溫度曲線分析，溫度超過80 ℃時(shí)，3F機(jī)組所帶負(fù)荷均超過58 MW。從2016年至今，3F機(jī)組定子鐵芯溫度在夏季滿負(fù)荷情況下各點(diǎn)溫度峰值數(shù)據(jù)基本一致，由此可判斷3F機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)較為穩(wěn)定，雖然滿負(fù)荷狀態(tài)下，3號(hào)、15號(hào)、18號(hào)點(diǎn)溫度總是超過設(shè)定報(bào)警值，但也達(dá)不到運(yùn)行規(guī)程規(guī)定的定子線圈溫度最高90 ℃。

表1 3F機(jī)組定子鐵心溫度報(bào)警數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

基于以上情況，對(duì)滿負(fù)荷工作下的定子溫升進(jìn)行分析，并提出由于片間絕緣降低或者鐵心沖片松動(dòng)導(dǎo)致定子鐵心渦流損耗增大的處理方案，對(duì)該類電機(jī)的定子異常溫升處理具有參考意義。

2 定子鐵損理論分析

2.1 磁滯損耗

根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，電機(jī)鐵心內(nèi)磁通密度范圍通常在0.8T≤B≤1.6T，磁滯損耗ρh與交變磁化頻率f和磁通密度幅值B有關(guān)，表示為：

ρh=σhfB2

(1)

式中σh為取決于材料性能的常數(shù)。

由于磁滯損耗主要與交變磁化頻率、磁通密度幅值以及制造材料相關(guān)，而在電機(jī)正常運(yùn)行過程中，這三個(gè)量與定子溫升異常關(guān)系不大，溫度變化后，這三個(gè)量基本保持不變，因此，定子鐵心溫升異常的主要原因并非由磁滯損耗引起。

2.2 渦流損耗

在交變的磁場中，鐵心中會(huì)產(chǎn)生感生電流，即渦流，渦流在鐵心中產(chǎn)生的損耗即為渦流損耗。根據(jù)公式推導(dǎo)，單位重量內(nèi)的渦流損耗ρe為：

(2)

式中 ΔFe、ρ分別為硅鋼片的厚度和電阻率，ρFe為硅鋼片的密度。由式(2)可知，渦流損耗系數(shù)與磁通密度、頻率及材料厚度的平方成正比，在硅鋼片厚度一定的情況下，渦流損耗可以表示為：

ρe=σe(Bf)2

(3)

式(3)中，

根據(jù)式(1)～(3)，硅鋼片單位重量的鐵損可表示為：

ρhe=ρh+ρe=σhfB2+σe(fB)2

(4)

根據(jù)式(4)，可得定子鐵軛中的基本鐵耗為：

ρFej=kρheGy

(5)

式中k按照經(jīng)驗(yàn)一般取為1.3，Gy為鐵心軛部的重量。

同理可得定子鐵心齒部中的基本鐵耗為：

ρFei=kρheGt

(6)

式中k按照經(jīng)驗(yàn)一般取為1.7，Gt為鐵心齒部的重量。

當(dāng)定子鐵心片間絕緣降低時(shí)，原本只在單個(gè)硅鋼片中流動(dòng)的渦流進(jìn)入其他硅鋼片中，硅鋼片的厚度ΔFe增加，硅鋼片厚度的平方與渦流損耗成正比，根據(jù)式(2)，硅鋼片間的絕緣降低將會(huì)導(dǎo)致定子鐵心的渦流損耗增加。

3 定子鐵損檢查

根據(jù)發(fā)電機(jī)溫升分析可知，發(fā)電機(jī)損耗主要分為五大類，即鐵損耗、銅損耗、勵(lì)磁損耗、電氣附加損耗以及機(jī)械損耗，發(fā)電機(jī)組損耗類型、損耗的原因和分布原因總結(jié)見表2。

表2 發(fā)電機(jī)組損耗類型、損耗的原因和分布原因總結(jié)表

通過表2的分析，引起定子鐵心溫升異常的主要原因是鐵損以及定子銅損。通過對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如果是定子銅損引起的溫升異常，則發(fā)電機(jī)會(huì)在相對(duì)較短的時(shí)間段中發(fā)生更嚴(yán)重的故障情況，而不會(huì)在幾年中皆維持溫度峰值基本不變。雖然在理論上可大致排除定子銅損引起溫升異常，但對(duì)定子直流電阻進(jìn)行檢測(cè)，排除定子銅損異常是非常必要的。對(duì)于定子鐵損異常的檢測(cè)，需要分析定子鐵心溫度數(shù)據(jù)、定子溫度傳感器檢測(cè)、冷卻水系統(tǒng)檢查三方面。

3.1 定子鐵心溫度分析

3F機(jī)組歷年定子鐵芯溫度峰值分布曲線見圖1。

圖1 3F機(jī)組歷年定子鐵芯溫度峰值分布曲線

由圖1可知，2014～2020年前后，3F發(fā)電機(jī)組的定子鐵心最高溫度點(diǎn)一直穩(wěn)定保持在18號(hào)點(diǎn)，3號(hào)、15號(hào)點(diǎn)溫度也明顯偏高，定子溫升異常的位置并未發(fā)生偏移。2018年以后這三個(gè)點(diǎn)的溫度有進(jìn)一步升高的趨勢(shì)。

在滿負(fù)荷運(yùn)行下，對(duì)比1F、2F以及3F機(jī)組不同部位的溫度變化(圖2)，并計(jì)算各部位平均溫度。

圖2 滿負(fù)荷1F、2F以及3F機(jī)組的不同部位的溫度變化

由圖2可知，在滿負(fù)荷運(yùn)行情況下，3F機(jī)組定子部分產(chǎn)生的熱量大于1F和2F機(jī)組，或者3F機(jī)組冷卻系統(tǒng)的散熱能力弱于1F和2F機(jī)組。因此，需要進(jìn)一步檢測(cè)定子溫度傳感器以及冷卻水系統(tǒng)。

3.2 定子溫度傳感器檢測(cè)

3F機(jī)組定子鐵心溫度傳感器安裝位置見表3。

表3 機(jī)組定子鐵心溫度傳感器安裝位置(表內(nèi)括號(hào)數(shù)值為溫度傳感器編號(hào))

由表3可知，3號(hào)、15號(hào)、18號(hào)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度傳感器分別位于32槽鐵心下部(層間，+X偏+Y方向)，147槽鐵心下部(層間，-X偏-Y方向)，127槽鐵心下部(層間，-X偏+Y方向)，此三個(gè)位置測(cè)量點(diǎn)未曾發(fā)生改變；17號(hào)點(diǎn)(溫度最低點(diǎn))對(duì)應(yīng)的測(cè)溫元件安裝位置在126槽鐵心中部(槽底、-X偏+Y方向)。

通過溫度傳感器的分布位置可知，鐵心下部溫度比中、上部溫度高；層間溫度比槽底溫度高。除此之外， 6號(hào)、9號(hào)、12號(hào)點(diǎn)也位于定子鐵心下部且在層間，其溫度僅次于3號(hào)、15號(hào)、18號(hào)點(diǎn)，由此可以證實(shí)上述推斷。通過檢測(cè)定子溫度測(cè)量回路及其阻值，均未發(fā)現(xiàn)異常，溫度傳感器工作正常，排除溫度傳感器工作異常導(dǎo)致定子鐵心溫度測(cè)量不準(zhǔn)確的因素。

3.3 冷卻水系統(tǒng)檢查

對(duì)3F機(jī)組的冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行檢查，1F、2F 和3F機(jī)組的8條進(jìn)水管流量分布見表4。其中3F機(jī)組3號(hào)及7號(hào)空冷器進(jìn)水管流量偏低較為明顯，分別為5.14 m3/h、5.07 m3/h，流道內(nèi)可能存在堵塞，測(cè)量3臺(tái)機(jī)組上導(dǎo)、水導(dǎo)等進(jìn)水管的流量基本一致。

表4 1F、2F 和3F機(jī)組的8條進(jìn)水管流量分布表

3.4 定子直流電阻檢查

通過分析歷年的預(yù)防性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)3F機(jī)組定子絕緣電阻值及直流電阻值均無明顯變化。且3F機(jī)組與1F、2F機(jī)組定子直流電阻相比，亦無明顯差異。3F機(jī)組定子近年絕緣電阻記錄和1F、2F、3F機(jī)組直流電阻對(duì)照見表5和表6。

表5 3F機(jī)組定子近年絕緣電阻記錄表

表6 1F、2F、3F機(jī)組直流電阻對(duì)照表

4 定子鐵心溫升異常原因分析

2019年9月上旬，將3F機(jī)組風(fēng)洞進(jìn)人門由封閉式改造為網(wǎng)門形式，風(fēng)洞內(nèi)散熱條件較之前有所改善，改造后，18號(hào)點(diǎn)至今溫度最高為82.58 ℃，未超過2018年最高溫度，且整體溫度和以往保持一致。由此可知，散熱條件的局部改善對(duì)定子溫升測(cè)量準(zhǔn)確度有輕微影響，但不是影響3F機(jī)組定子溫升異常的主要原因。

3F機(jī)組冷卻水水質(zhì)與1F、2F機(jī)組一致，但總流量略微偏低，其中3號(hào)、7號(hào)冷卻器進(jìn)水管流量明顯偏低，可能存在流道內(nèi)有堵塞的情況，對(duì)冷卻水系統(tǒng)有一定影響，但對(duì)比三臺(tái)機(jī)組定子溫度差與冷卻水流量差后進(jìn)行判斷，也可能不是3F機(jī)組定子溫度偏高的主要原因。

通過分析定子鐵心溫升及五類損耗產(chǎn)生的原因，鑒于3F定子直流電阻與1F、2F機(jī)組試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，排除銅損引起溫度升高，進(jìn)而可判斷3F機(jī)組定子溫度偏高可能為鐵損增大引起，而鐵損大則是定子鐵芯片間絕緣降低或鐵芯有松動(dòng)導(dǎo)致渦流增大。

5 后續(xù)處理方案

根據(jù)運(yùn)行規(guī)程規(guī)定，3F機(jī)組發(fā)電機(jī)的絕緣等級(jí)為F級(jí)，定子繞組溫度不超過90 ℃，定子鐵芯的溫度不超過120 ℃。目前3F機(jī)組定子溫度最高約83 ℃，均遠(yuǎn)低于允許值，能保持穩(wěn)定。但為了將安全隱患徹底排除，確保機(jī)組更長周期的安全穩(wěn)定運(yùn)行，確定3F機(jī)組定子溫升異常處理方案流程見圖3。

圖3 3F機(jī)組定子溫升異常處理方案流程圖

6 結(jié) 語

針對(duì)某發(fā)電站60 MW發(fā)電機(jī)定子鐵心溫升異常問題，對(duì)造成溫升異常的原因進(jìn)行詳細(xì)分析，最終確定引起該發(fā)電機(jī)溫升異常的主要原因?yàn)槎ㄗ予F芯片間絕緣性能降低或鐵心松動(dòng)導(dǎo)致渦流增大。實(shí)際檢測(cè)結(jié)果與理論分析結(jié)果相吻合，證明了分析方法的正確性。結(jié)合理論分析以及檢測(cè)結(jié)果，提出解決該類溫升異常的后續(xù)處理流程。五種引起發(fā)電機(jī)溫升的損耗類型中，鐵耗是導(dǎo)致穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)電機(jī)溫升異常的主要原因，發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中由于振動(dòng)等原因?qū)е炉B壓的硅鋼片松動(dòng)以及硅鋼片間絕緣性能降低，從而增大發(fā)電機(jī)的渦流損耗。如何有效預(yù)防發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中的疊壓硅鋼片松動(dòng)以及片間絕緣性能降低，保證發(fā)電機(jī)各類損耗在正常設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，是發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行的研究重點(diǎn)。對(duì)于穩(wěn)定運(yùn)行過程中的發(fā)電機(jī)溫升異常問題，可首先檢查其鐵心損耗，確認(rèn)是否由渦流損耗增大所引起。