西霞院水電站發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(shù)0.85（滯后），效率97.5%。發(fā)電機定子由4 個部分組成，在現(xiàn)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(tǒng)標準生產(chǎn)，采用環(huán)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(fā)電機冷卻方式采用全密閉循環(huán)空冷，在機座外壁均勻裝有8 只基伊埃生產(chǎn)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(huán)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(guī)運行模式下，西霞院機組定子線圈溫度相對環(huán)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(tài)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(fā)現(xiàn)10 號機組定子線圈和定子鐵心溫度雖在正常運行范圍內(nèi)，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(fā)現(xiàn)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(jīng)過一段時間的停機避沙后重新并網(wǎng)發(fā)電。

圖1 西霞院水電站1 年來7 號～10 號機組溫度

發(fā)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(fā)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(jīng)濟損失；并且高溫發(fā)電機的定子電阻率高、損耗大，會降低發(fā)電機效率，水輪發(fā)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(fā)揮[2]。另外，定子溫度長時間較高，還會造成發(fā)電機組基坑內(nèi)溫度偏高，加速機組自動化元件的老化，不利于發(fā)供電設備安全穩(wěn)定運行[3,4]。

3 原因分析

3.1 發(fā)電機測溫模塊故障

發(fā)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(fā)電廠水輪發(fā)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(fā)電廠10 號發(fā)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(fā)電機定子測溫模塊進行檢查校驗后重新并網(wǎng)運行，10 號發(fā)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(fā)電機測溫模塊故障所引起的。

3.2 發(fā)電機三相不平衡

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

按照水輪發(fā)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(fā)電機定子振動產(chǎn)生的原因有很多：發(fā)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(fā)電機定子振動過大會使定子安裝位置松動，發(fā)熱量增加，發(fā)電效率降低。西霞院水電站發(fā)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(nèi)，并未發(fā)現(xiàn)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(jù)熱平衡原理，發(fā)電機在運行過程中發(fā)電機的散熱量與空氣冷卻器強制熱交換量、風洞及發(fā)電機外殼向外輻射熱量之和相等，此時發(fā)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(fā)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(shù)。

由于西霞院水電站發(fā)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(fā)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?？梢缘贸鼋Y論：在機組運行過程中，運行工況一定的情況下，發(fā)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(fā)現(xiàn)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(fā)電機在運行過程中發(fā)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(shù)降低所引起的。

發(fā)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(fā)電機組技術供水主水源采用循環(huán)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(huán)水泵（深井泵）、4 組尾水冷卻器及1 臺電控柜。循環(huán)供水系統(tǒng)主要由供水水泵（深井泵）、尾水冷卻器、循環(huán)水池、機組冷卻器、閥門、管路、表計以及控制系統(tǒng)等組成。供水水泵從循環(huán)水池中抽取循環(huán)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(jīng)供水管送入機組各冷卻器，最后通過回水管送回到循環(huán)水池。發(fā)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(shù)據(jù)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(huán)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(fā)電機定轉子局部過熱。此情況可根據(jù)發(fā)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(jù)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(shù)降低

空氣冷卻器對于發(fā)電機組的換熱可以看成管內(nèi)流體對外強迫換熱，因此其換熱系數(shù)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(shù)等。對于西霞院電站發(fā)電機組空氣冷卻器來說，冷卻水流量不變，其換熱系數(shù)主要取決于空氣冷卻器本身的導熱性能?？諝饫鋮s器表面積灰，管路和冷卻器內(nèi)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(fā)現(xiàn)：進出口管路內(nèi)壁結有較厚的水垢，利用專業(yè)清潔劑對空氣冷卻器內(nèi)部管路進行清理發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部管路也有較多雜質。

4 處理結果

經(jīng)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(nèi)部管路結垢導致其換熱系數(shù)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(wǎng)運行，通過對其定子線圈和定子鐵心溫度跟蹤觀察發(fā)現(xiàn)：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(huán)供水，水中含有較多可溶性雜質，長時間運行會在空冷器內(nèi)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(fā)生。

5 結論

發(fā)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(shù)據(jù)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?lián)Q熱效率低下，經(jīng)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。