基于量熱法的大型水輪發電機損耗測量和效率計算

閆迎，郝劍波

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

某航電樞紐電站位于嘉峪江流域下游河段，是一個以航運為主兼顧發電的水資源綜合利用工程，總裝機容量4×125 MW。為全面衡量機組的性能指標，確定發電機是否符合設計標準，需要在運行現場對發電機進行效率測試。

發電機的效率計算公式可表示為:

式中 η為發電機效率(%);P為發電機輸出功率(kW);PΣ為發電機總損耗(kW)。

由式 (1)可知，若要確定發電機效率，必須準確測量發電機的輸出功率及總損耗。發電機的輸出功率非常容易測量，但是發電機的總損耗測量比較復雜，工程中大多借助經驗公式對其進行估算，精度難以保證〔1〕，因此需要采用新的方法解決此類問題。文獻〔2〕介紹了一種利用量熱的方法測量發電機的總損耗和效率的方法，但該方法未對發電機內部鐵芯、繞組等部位的損耗測試方法進行說明。因此，文章在利用量熱法對機組總損耗進行測量的同時，借助發電機特定的運行工況對發電機內部各項損耗進行分解計算，并對量熱法得到的結果進行驗證。

1 量熱法測量總損耗的原理和方法

發電機在運行時，內部產生的各類損耗最終都將變成熱量，以“熱”的形式傳給冷卻介質，使冷卻介質溫度上升，因此可以通過測量發電機所產生的熱量來推算電機的總損耗，繼而得到發電機的效率。

1.1 發電機損耗確定

為測定發電機的總損耗，需要給發電機選定一個將其包在內部的基準表面，以保證其內部的所有損耗都通過該表面散發出去，常選發電機的機殼作為基準面。因此，電機總損耗PΣ可由機殼內部損耗Pi和機殼外部損耗Po組成。前者主要由發電機鐵芯和線棒等部件產生，后者主要由電機外部輔助設備產生。Pi由2部分組成，包含熱量的形式由電機冷卻介質帶走的損耗和以熱傳導、對流、輻射、散失的形式穿過機殼到達外部的損耗;Po主要包括軸承摩擦損耗、碳刷電損耗、勵磁裝置損耗。

1.2 發電機損耗計算

1)冷卻介質帶走的損耗

式中 P為冷卻介質帶走的損耗(kW);CP為冷卻介質的比熱(kJ/kg·K);Q為冷卻介質的流量(m3/s);ρ為冷卻介質的密度(kg/m3);Δt為冷卻介質的溫升(K)。

2)對流和輻射帶走的損耗

因為電機表面向周圍環境輻射的損耗數量很小，可忽略不計。測量時，可以只考慮電機外表面與周圍環境對流散出的損耗，其公式為:式中 P為電機外表面散出的損耗(kW);A為散熱表面積(m2);Δt為電機外表與環境溫度之差(K);h為表面散熱系數。

3)碳刷電損耗

式中 P為碳刷電損耗(kW);Δu為碳刷壓降(V);if為勵磁電流(A)。

4)勵磁裝置損耗

式中 P為勵磁裝置損耗(kW)，對自并勵勵磁系統，該部分損耗主要包括勵磁變損耗、整流硅損耗、分流器損耗等;Ph為勵磁裝置輸入功率(kW);Pl為勵磁裝置輸出功率(kW)。

2 機殼內部各項損耗的分解及計算

2.1 機殼內部損耗分解

發電機運行時機殼內部損耗按性質不同可以分解為以下幾部分:

1)風摩損耗Pw

式中 Pfe1為定子電壓為U1時的鐵損(kW);Pfe2為定子電壓為U2時的鐵損(kW)。

3)定子銅耗Pcua

定子繞組中的銅耗可表示為:

式中 Pcua為定子銅耗(kW);I為定子電流(A);Ra為基準工作溫度下定子繞組的直流電阻(Ω)，對于A，E，B級絕緣等級的繞組，基準溫度為75℃，對于F，H級絕緣等級的繞組，基準溫度為115℃。

4)轉子銅耗Pcuf

轉子銅耗可表示為:

式中 Pcuf為轉子繞組銅耗(kW);I為轉子電流(A);Rf為基準工作溫度下轉子繞組的直流電阻(Ω)。

5)負載雜散損耗Ps

發電機的負載雜散損耗包括2部分，即負載在除鐵芯和導線之外的金屬件中引起的損耗和定子繞組中的渦流損耗。負載雜散損耗與定子銅損之和按定子電流的平方變化。不同電流下的定子銅損和雜散損耗存在以下關系:

在機組內部，風摩損耗Pw主要由通風損耗和空氣摩擦損耗2部分組成，該損耗大小與機組負荷無關，在機組保持同步速的前提下，可以近似為常值。

2)鐵耗Pfe

鐵耗Pfe主要包括磁路中的鐵耗以及其它金屬構件中的空載雜散損耗，它不隨機組負荷的變化而變化，大小與機組定子電壓有關。不同定子電壓下的鐵耗存在以下關系:

式中 PN(cua+s)為額定電流IN時的定子銅損及負載雜散損耗之和(kW);Pg(cua+s)為任意電流Ig時的定子銅損及負載雜散損耗之和(kW);PNcua為額定電流IN時的定子銅損(kW);PNs為額定電流IN時的負載雜散損耗(kW)。

上述各項機組內部損耗中，風摩損耗Pw和鐵耗Pfe不隨發電機負載的變化而變化，剩余幾項為可變損耗，具體大小與機組負荷有關。

2.2 機殼內部損耗計算

由以上分析可知，通過選擇特定的發電機運行工況，利用量熱的方法可以測量相應工況下的機殼內部總損耗的大小，并借助機組運行時的電壓、電流等參數，可以實現對機殼內部各項損耗的分解計算。以下選取3種運行工況進行測量:

1)發電機空轉運行。用于測定發電機的風摩損耗Pw，此時:

2)發電機空載運行。用于測定定子鐵耗Pfe，此時:

3)發電機短路運行。用于測定負載雜散損耗Ps，此時:

3 發電機損耗及效率實例計算

為了全面衡量被試機組的性能指標，需要測試發電機在額定電壓、額定功率因數以及分別在70%，80%，90%，100%額定負載下的效率和各項損耗數值。

被試發電機的相關參數為:額定容量142.9 MVA;額定功率因數0.875;額定電壓15750 V;額定電流5238 A;勵磁電壓340 V;勵磁電流1518 A;絕緣等級F/F;冷卻方式為鐵芯采用密封自循環全空氣冷卻，同時使用水對空氣進行降溫，軸承部分使用油冷卻，對油則使用水進行冷卻。

3.1 試驗參數測量

試驗時要求機組調至要求的負荷下，維持此工況穩定運行，待發電機各部分溫升穩定后，測取發電機的各個參量。整個過程中需要測取的參量有:

1)電氣參數。主要有發電機有功功率、無功功率、功率因數、勵磁電壓、勵磁電流、定子電壓、定子電流、勵磁裝置的輸入、輸出電壓和電流。

2)溫度參數。發電機空氣冷卻器進出水溫度、軸承冷卻器進出水溫度、定子繞組溫度、鐵芯溫度、機殼表面溫度，周圍環境溫度。水溫可通過高精度熱電偶測取，繞組及鐵芯溫度可通過機組預埋的檢溫計測取，機殼表面及環境溫度可通過酒精溫度計測取。

3)流量參數。主要是發電機空氣冷卻器進出水流量、軸承冷卻器進出水流量。為了確保測量流量準確，每根管道均在平直段取多次測量平均值作為最終流量結果。

3.2 特定工況下總損耗和各項損耗的確定

試驗前利用空轉、空載、短路3種特殊的運行工況，使用量熱和損耗分解計算的方法，測量得到機組內部總損耗和各分項損耗的大小，結果見表1。2種方法得到的機組內部損耗分別為1 187.58 kW和1 162.26 kW，誤差約為2.13%。可見，通過量熱法求出的電機內部損耗和理論計算有著很好的一致性，印證了2種方法的正確性。

表1 不同試驗工況下發電機內部總損耗和各項損耗的確定

3.3 特定負載條件下機組效率的計算

根據現場要求，需要確定發電機在額定電壓、額定功率因數，分別輸出 70%，80%，90%，100%額定功率時機組各部分的損耗和效率數值，利用前面方法，測算結果見表2。

從表2可以看出，該機組在各個測試工況下的運行效率都達到了設計要求，還可看出損耗主要集中在定轉子繞組和鐵芯部分，該些部分的損耗比重超過了60%以上，成為影響機組效率的主要因素。

表2 不同運行工況下發電機效率測算

4 影響因素和誤差分析

1)在機組的各類冷卻方式中，空氣冷卻器散走的損耗最多，占總損耗的80%以上，因此，這部分冷卻水的流量、溫度、比熱、密度等數值的準確度和精度直接影響到最終計算結果，必須采取有效措施保證該些參數的測量精度。

2)由于機組發熱部位的不均勻，導致機組表面溫度不一致;受機組周圍外部設備散熱的影響，周圍環境溫度有高有低。這些因素影響了機組對流、輻射損耗的測量精度，為此可通過多次、多時、多部位測量機組或環境的溫度，取其平均值，以降低測試誤差。

3)在對機組內部損耗進行分解計算時，未考慮鐵芯飽和對鐵芯損耗的影響，同時由于定子諧波電流的存在，產生的諧波磁場在轉子上產生的損耗同樣未得到考慮。但在用量熱法測得的總損耗囊括了機組所有的能量損耗，不存在此類問題。

5 結束語

通過對某大型水輪發電機進行效率試驗，介紹了使用量熱法計算發電機損耗和效率的實施過程，并簡單分析了影響測量結果的可能因素。實例顯示，量熱法的測試結果準確可靠，過程操作簡單，可供今后同類發電機效率試驗借鑒。

〔1〕李法海，朱東起.電機學〔M〕.北京:科技出版社.2001.

〔2〕中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局中國國家標準化管理委員會.GB/T 5321—2005量熱法測定電機的損耗和效率〔S〕.北京:中國標準出版社，2005.

〔3〕李建明，朱康.高壓電氣設備試驗方法〔M〕.北京:中國電力出版社.2001.

〔4〕白延年.水輪發電機設計與計算〔M〕.北京:機械工業出版社.1982.