發電機定子溫度高原因分析及解決方案探討

陳 輝

（陜西江漢水電勘測設計有限公司，陜西 西安 710016）

發電機定子溫度高原因分析及解決方案探討

陳 輝

（陜西江漢水電勘測設計有限公司，陜西 西安 710016）

陜西省涇惠渠渠首電站自投運以來，發電機一直存在定子溫度過高的問題，經過十多年運行，機組效率降低、絕緣老化嚴重，而且定子溫度過高的問題更加嚴重。解決好定子溫度過高是影響電站增效擴容改造的關鍵，結合電站多年實際運行資料整理，從機組本身發熱、通風散熱通道及通風冷卻系統等方面進行分析，提出發電機定子采用“密閉循環通風冷卻”的方案。改造后定子嚴格控制制造質量、重新設計散熱通道，重點考慮定子通風冷卻系統的方式，并采用新型冷卻器，從根本上解決發電機溫度過高的問題，增加機組容量、提高設備效率以及運行穩定性、安全性，使電站改造達到預期效果。

增效擴容改造；水輪發電機；運行管理；分析

1 工程概況

涇惠渠渠首電站為水庫壩后式電站，總裝機容量為3×2500 kW，于1998年建成運行至今。電站安裝3臺立軸混流式水輪發電機組，為湖北白蓮發電設備制造廠生產，發電機型號為SF2500-32/3300，容量3125 kVA，功率因數0.8（滯后），出口額定電壓6.3 kV，額定電流286.4 A。發電機采用密閉循環通風冷卻系統，在發電機定子機座上安裝4臺空氣冷卻器，冷卻水壓力0.15～0.20 MPa，冷卻水總量40 m3/h，冷卻水管路接技術供水系統。由于河道泥沙較多，電站技術供水采用高位水池和水泵循環供水方式，清水來源為泉水。廠內設清水池，由水泵將清水抽至高位水池，然后由高位水池自流至廠內技術供水總管。

電站機組存在震動較大、發電機定子溫度過高及機組內油霧嚴重等問題，3#機問題尤為突出。自投產以來運行人員對3#發電機運行溫度記錄見表1。

表1 3#機組運行溫度記錄表

據表1可以看出，發電機溫度逐年上升，近三年來溫升較嚴重，最高溫度達147℃。由于機組發熱量過大且熱量無法及時排除廠外，造成廠房內環境溫度升高，夏季基本在40℃左右，使電氣設備絕緣老化加速、運行人員工作環境惡劣，容易發生安全事故。

為此，電站曾于2000年對定子冷卻系統進行改造，結合現有密閉循環冷卻方式并增加外循環冷卻方式。具體措施為：保持空氣冷卻器運行狀態，同時在發電機上機架蓋板上安裝通風管道引至廠外，管道出口安裝軸流風機抽排熱風，并將上機架蓋板掀開幾塊作為進風口。改造后發電機定子溫度略有降低，但是效果不顯著，近幾年來溫度升高明顯。

2 原因分析

2.1 油霧嚴重

發電機組用油部位為各部軸承潤滑油槽，但該機組油槽均為封閉式，油槽頂部只有觀察孔和加油孔，正常運行中軸承甩油不會造成嚴重的油霧問題。但是當機組內部溫度過高時，會造成油揮發形成油霧，在機組內部無法擴散而粘在設備表面。因此機組內溫度過高是造成油霧嚴重的根源。

2.2 定子溫度過高

引起定子溫度過高的原因有機組本身發熱量大、通風散熱通道不暢、通風冷卻系統故障。

（1）造成機組本身發熱量大原因有：①定子電壓過高，鐵損增加，導致定子鐵芯發熱量增大；②負荷電流過大，定子繞組銅損增加，導致線圈發熱量增大；③三相負荷電流不平衡或過負荷運行，導致機組發熱量增加；④定子鐵芯絕緣損壞，引起片間短路，造成鐵芯局部的渦流損失增加而發熱；⑤定子制造過程中鐵芯壓實度不夠、線棒絕緣層不均勻、鐵芯圓度差及后期組裝、安裝精度差等問題都會造成機組運行穩定性差而造成發熱量大。

從多年運行來看，電站繼電保護配置設有過電壓保護、過電流保護及縱差動保護，而且機組運行正常，沒有因為這些保護動作而停機，所以機組電磁回路正常，不會造成機組發熱量過大。從設備制造情況來看，發電機定子確實存在鐵芯疊片高度差別大、圓度差等問題，從而造成定、轉子間氣隙不均勻及機組震動大等問題，從運行溫度記錄表中可以看出，自投運以來機組溫度就偏高，因此發電機定子制造質量不過關及機組安裝精度差等問題造成機組本身發熱量增加。

（2）通風散熱通道不暢。由于3臺機組都存在運行溫度高的問題，電站就該問題咨詢重慶賽力盟電機廠、杭發水電設備制造廠、云箭水電設備制造廠等4設備制造廠家，經分析判斷，廠家一致認為“原發電機定子風道循環不暢，風道循環系統設計存在嚴重缺陷”。

（3）通風冷卻系統故障。原機組采用的密閉循環冷卻方式，①通過長期運行記錄來看，空氣冷卻器進出水管路上的壓力表讀數正常，且電站在檢修期間對管路系統進行清掃，不存在管路堵塞的問題。②供水管路上壓力表讀數在0.16～0.23 MPa，滿足冷卻水壓要求。③根據運行記錄，技術供水高位水池水溫常年保持在18℃以下，水溫滿足要求。通過以上分析可知，空氣冷卻器水系統工作正常。

通過測量發現空氣冷卻器進出口水溫差僅有1℃～5℃，由此可以判斷，發電機內的熱量幾乎沒有通過空氣冷卻器。而后期電站對冷卻系統的改造，把原有的密閉循環冷卻改為外循環冷卻效果并不理想，也進一步驗證定子風道循環不暢是造成機組定子溫度高的根本原因。

3 解決方案

通過對發電機定子溫度過高的原因分析，結合電站增效擴容改造方案，更換發電機組，提高機組制造質量外對定子風道重新設計。重點考慮定子通風冷卻系統，比較了“管道通風冷卻”和“密閉循環通風冷卻”兩個方案[1]。

采用管道通風冷卻系統，可以將機組的熱量通過通風管道排出廠外，新風由發電機蓋板進入機組，既能使發電機散熱降溫，也可調節廠內空氣。但與外界空氣交換會使基坑內塵土較多，甚至有鳥蟲進入管道的可能影響機組運行。經計算，增容后發電機通風量約6.5 m3/s，通風管道尺寸寬1.8 m高1.2 m，需對基坑及廠房外墻開孔進行鋪設，土建工程量增加且施工難度較大。

采用密閉循環通風冷卻系統，改造后發電機定子布設4臺空氣冷卻器，計算冷卻用水總量為48 m3/h，可利用現有冷卻水系統，但增容后空氣冷卻器進出水位置發生變化，供排水管路需要改造。該方案基坑內空氣不與外界交換，可保持基坑內空氣清潔，工程量小。

通過比較，兩種方案均可解決該問題，而且這兩種通風冷卻方式在實際運行中比較多。針對本電站增效擴容改造特點，盡量減少土建工程量[2]，尤其是對機坑及廠房結構的破壞，因此本次改造后發電機定子采用“密閉循環通風冷卻”的方案。

4 結論

改造后發電機定子重新設計風道，并在機組制造過程中，定子鐵芯及線棒采用性能優良的材料，絕緣等級達到F級，組裝后采用整體真空浸漆絕緣，并進行整體運輸，減少施工現場組裝，提高機組制造質量，進一步降低正常運行時的發熱量。

此外，重點設計定子空氣冷卻器的散熱材料及結構形式[3]。改造后定子空氣冷卻器采用散熱性能好的紫銅管，結構形式采用整體刺片式。原空氣冷卻器結構形式為單管式，即直接將銅管做成繞簧式，這種結構形式通風阻力小但散熱面積小，散熱效果較差。整體刺片式結構，采用整張銅片按設計孔距沖片，降低銅片厚度并做成波浪形以增加散熱面積，在相等的散熱面積下銅片的間距增加，通風阻力降低，散熱效果明顯提升。

定子增容改造后，提高制造工藝減少機組發熱、重新設計風道使熱量排出暢通無阻；并采用整體刺片式空氣冷卻器增強散熱，從根本上解決發電機溫度過高的問題。改造后定子預期溫度約90℃，比改造前大幅降低，從而改善設備運行環境及人員工作環境，提高電站運行的穩定性及安全性。

[1]GB/T27989-2011，小型水輪發電機基本技術條件[S].

[2]GB/T50700-2011，小型水電站技術改造規程[S].

[3]上海電氣科學研究所，中小型電機設計手冊[S].機械工業出版社.

TV738

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1673-9000（2017）05-0162-03

2017-03-15

陳輝（1982-），男，陜西西安人，工程師，主要從事水利水電工程設計工作。