水輪發電機磁極線圈溫升偏高分析

明 野

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150040)

0 引言

新安江水電站從1999 年開始先后對9 臺機組進行了增容改造，原機組額定功率72.5MW，額定功率因數0.85。發電機增容改造后，額定功率90 MW，額定功率因數0.9，機組冷卻方式采用密閉、自循環空氣冷卻方式。

增容改造后，發電機轉子磁極線圈普遍存在溫升偏高的現象，溫升一般在100K 左右。雖然進行了多次通風結構的完善，但仍然得不到根本的解決。磁極分解檢查發現，磁極線圈內側R 處的絕緣有明顯過熱痕跡，且背風面更為嚴重，發現線圈R 處有毛刺，絕緣層在加工時就已受到損害。以下針對可能造成水輪發電機磁極線圈溫升偏高的原因進行分析，找出造成磁極線圈溫升偏高的主要原因，并給出論證方案。

1 磁極線圈溫升偏高原因分析

針對新安江水電站機組運行情況及機組的改造情況進行分析，造成水輪發電機磁極線圈溫升偏高的主要原因有:發電機通風結構不合理，風量無法滿足要求;發電機轉子磁極自身結構所致，造成磁極自身產生的熱量無法有效散發，導致溫升偏高。

1.1 對發電機的原通風結構進行分析計算

新安江水輪發電機采用雙路徑向無風扇端部回風通風結構，冷卻空氣由轉子支架、磁軛、磁極旋轉產生的風扇作用進入轉子支架入口，流經風隙、磁極極間、氣隙、定子徑向風溝，冷卻氣體攜帶發電機損耗熱經定子鐵心背部匯集到冷卻器與冷卻水熱交換散去熱量后，重新分上、下兩路流經定子線圈端部進入轉子支架，構成密閉自循環通風系統。上、下端部均采用端部回風的方式冷卻。

(1)轉子支架

轉子支架入口是冷卻風量的主要過流通道，其結構尺寸的選取應在滿足轉子風扇作用的前提下以減小壓頭損失為主，避免不必要的通風損耗。該水輪發電機轉子支架采用組合式轉子支架結構，支臂外圓側通過擋風板形成通風風路，以提高通風壓頭。選定的結構尺寸為:支臂個數為8 個;支臂外圓儲擋風板內徑為φ4 900mm;支架進風口軸側至中心最小距離為1 520mm;轉子支架每個通風孔的面積為0.71m2。

(2)磁軛通風道

磁軛部分是冷卻風量的過流通道的咽喉，磁軛部分采用通風溝及通風隙結構。磁軛通風溝選擇的好壞直接影響風量的均勻分配及冷卻效果，該磁軛通風溝高35mm，通風溝數量為6 個，風溝入口寬度為250mm，出口寬度為100mm。磁軛風隙也是轉子磁軛過流通道的重要組成部分，磁軛風隙選擇的好壞也影響風量的均勻分配及冷卻效果，該磁軛風隙入口寬為140mm，出口寬為90mm。轉子安裝了40 個磁極，磁極固定在磁軛上，每片磁軛沖片上安裝4 個磁極，磁軛沖片厚度3mm，采用1 片一疊、串整極的疊片方式。

(3)定子徑向風溝

定子徑向風溝數量為43 個，通風溝高度為6mm。

(4)擋風板位置

在氣隙、軸向一些縫隙處，存在漏風現象，為了提高有效風量，降低通風損耗，提高電機的效率，需對各漏風處采取有效措施。機組采用旋轉擋風板結構，旋轉擋風板與定子風罩之間的間隙不大于12mm，旋轉擋風板與磁軛之間的間隙不大于8mm。

按原機組通風結構進行分析計算，通風計算結果如下:電機通風損耗約為243kW，電機總損耗為1386.1kW，溫 升 按 28K 計 算，所 需 風 量為45m3/s，根據電機結構尺寸計算得設計總風量為42.85m3/s，設計結構產生的風量略低于電機通風要求。

1.2 發電機磁極結構分析

(1)出廠時磁極線圈采用七邊形銅排結構。改造后，部分水輪發電機磁極線圈為F 級絕緣，由29 匝62×8mm矩形裸扁銅線繞制而成，為滿足散熱面積要求，一般會帶有散熱匝。新安江水電站磁極線圈改造后既沒有散熱匝，也沒有散熱翅，線圈自身散熱面積較小，不利于磁極線圈散熱，是引起轉子溫升過高的主要原因。

(2)矩形銅排繞制的磁極線圈，在繞制過程中，線圈的四個角是圓弧繞出的，內圓凸起，外圓減薄，所以線圈四個角的R 處溫升較高，是引起轉子溫升過高的原因之一。

(3)磁極線圈的線規選擇不合理，造成磁極線圈溫升偏高。按機組額定工況運轉，對機組的勵磁繞組的電流密度進行計算，電密小于2.5A/mm2，不會造成機組勵磁繞組明顯的溫升偏高，此項不是造成磁極線圈溫升偏高的主要原因。

1.3 分析結論

按以上機組的通風結構形式及磁極自身結構兩方面進行分析，給出如下結論。

(1)機組原通風結構按熱風溫升28K 計算，風量略有不足。但按此風量運行，可能會造成熱風溫升略高，熱風的溫升可能達到30K，同時發電機定子的溫升并不高，說明整個機組的通風冷卻系統沒有問題，不至于造成磁極線圈溫升達到100K 左右。

(2)磁極線圈采用矩形銅排結構，并沒有散熱匝，散熱面積不足，無法將發電機正常運轉過程中磁極產生的熱量充分散發，讓冷空氣帶走，這是造成磁極溫升偏高的主要原因。

2 處理方案

針對以上機組通風結構和磁極線圈結構兩個方面給出處理方案。

(1)通風結構

原機組通風結構可能造成熱風溫度略高，但定子部分溫升均在合理的溫升范圍內，說明空氣冷卻器的冷卻效果比較理想，不會影響機組的通風冷卻，通風冷卻結構可不進行改造。

(2)磁極結構

對原機組磁極線圈進行改造，改為帶散熱翅結構的銅排，并采用四角焊接結構。按散熱面積計算，帶散熱翅結構的磁極線圈散熱面積是矩形銅排結構的1.8 倍左右，能夠有效地將磁極的熱量帶走。磁極線圈采用四角焊接結構，此種制造方法不會出現繞制線圈R 處的銅排截面積不規則的情況。同時，四角焊接結構的磁極線圈外形尺寸比繞制的磁極線圈外形尺寸更精確，使得通風風路更順暢，更有利于降低轉子繞組的溫升。

3 處理方案論證

按改造后的磁極線圈的結構型式，并按原通風結構進行三維溫度場分析計算，核算此改造方案是否可行。發電機空氣冷卻器出風溫度按40℃計算，通過三維溫度場分析計算，得到了磁極線圈溫度分布云圖。計算結果顯示磁極線圈最高溫度為104.3℃，平均溫度為101.1℃。磁極線圈最高溫升64.3K，滿足規范要求值85K，此改造方案可行。

4 結語

新安江水電站改造后，部分水輪發電機組的磁極線圈溫升偏高，主要原因在于矩形銅排的磁極線圈并沒有設置散熱匝，機組運行過程中磁極線圈產生的熱量無法完全被冷風帶走，熱量大部分都殘留在磁極線圈的銅排上，造成磁極線圈溫升偏高。為保證機組磁極線圈的溫升在合理的范圍內，機組的磁極線圈需要進行改造，采用帶有散熱翅結構的銅排，有效保證在機組運行時，磁極線圈的溫升在規范要求的范圍內。