中小型水輪發電機定子鐵心溫高異常分析

廖 白 蓮， 鄭 權， 龍 長 華， 曾 偉， 馬 坤 彬

(四川華能康定水電有限責任公司，四川 甘孜 626000)

0 引 言

隨著水輪發電機的運行時間加長，部分機組出現老化情況[1]，尤其是定子鐵心在長時間運行中出現的溫升異常問題，會對機組的安全運行造成嚴重威脅[2]。目前，發電機的溫升異常主要是由于結構或者繞組老化等原因導致損耗偏高引起的[3-4]。然而，對于引起發電機溫升異常的具體原因還需要根據理論分析和定子鐵心實驗才能得出[5]。

1 機組溫高狀況

某水電站3F機組夏季滿負荷(60 MW)運行時定子溫度整體偏高，比相同工況下1F、2F機組整體偏高10 ℃左右，其中3號、15號、18號點最高溫度超過報警設定值(80 ℃)。對歷年3F機組的鐵心最高溫度以及滿負荷下各部位平均溫度對照分析，在機組滿負荷運行狀態下，除水導部位外，3F機組各部位整體溫度高于1F、2F機組，尤其是3F機組定子鐵芯平均溫度高于1F、2F機組約15 ℃，而3F機組空冷器熱風溫度比1F、2F機組亦高出10 ℃左右。運行期間發現，滿負荷情況下，3F機組循環水池水溫也比1F、2F機組高約5 ℃，由此可初步判斷3F機組定子部分產生的熱量大于1F、2F機組或者3F機組冷卻系統散熱能力弱于1F、2F機組。

2016～2019年對3F機組定子鐵心溫度報警數據進行統計(表1)。根據負荷、溫度曲線分析，溫度超過80 ℃時，3F機組所帶負荷均超過58 MW。從2016年至今，3F機組定子鐵芯溫度在夏季滿負荷情況下各點溫度峰值數據基本一致，由此可判斷3F機組運行狀態較為穩定，雖然滿負荷狀態下，3號、15號、18號點溫度總是超過設定報警值，但也達不到運行規程規定的定子線圈溫度最高90 ℃。

表1 3F機組定子鐵心溫度報警數據統計表

基于以上情況，對滿負荷工作下的定子溫升進行分析，并提出由于片間絕緣降低或者鐵心沖片松動導致定子鐵心渦流損耗增大的處理方案，對該類電機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

根據電機設計經驗，電機鐵心內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，表示為：

ρh=σhfB2

(1)

式中σh為取決于材料性能的常數。

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，而在電機正常運行過程中，這三個量與定子溫升異常關系不大，溫度變化后，這三個量基本保持不變，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，鐵心中會產生感生電流，即渦流，渦流在鐵心中產生的損耗即為渦流損耗。根據公式推導，單位重量內的渦流損耗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)

根據式(4)，可得定子鐵軛中的基本鐵耗為：

ρFej=kρheGy

(5)

式中k按照經驗一般取為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按照經驗一般取為1.7，Gt為鐵心齒部的重量。

當定子鐵心片間絕緣降低時，原本只在單個硅鋼片中流動的渦流進入其他硅鋼片中，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，根據式(2)，硅鋼片間的絕緣降低將會導致定子鐵心的渦流損耗增加。

3 定子鐵損檢查

根據發電機溫升分析可知，發電機損耗主要分為五大類，即鐵損耗、銅損耗、勵磁損耗、電氣附加損耗以及機械損耗，發電機組損耗類型、損耗的原因和分布原因總結見表2。

表2 發電機組損耗類型、損耗的原因和分布原因總結表

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。通過對表1中的數據進行分析，如果是定子銅損引起的溫升異常，則發電機會在相對較短的時間段中發生更嚴重的故障情況，而不會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，但對定子直流電阻進行檢測，排除定子銅損異常是非常必要的。對于定子鐵損異常的檢測，需要分析定子鐵心溫度數據、定子溫度傳感器檢測、冷卻水系統檢查三方面。

3.1 定子鐵心溫度分析

3F機組歷年定子鐵芯溫度峰值分布曲線見圖1。

圖1 3F機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發電機組的定子鐵心最高溫度點一直穩定保持在18號點，3號、15號點溫度也明顯偏高，定子溫升異常的位置并未發生偏移。2018年以后這三個點的溫度有進一步升高的趨勢。

在滿負荷運行下，對比1F、2F以及3F機組不同部位的溫度變化(圖2)，并計算各部位平均溫度。

圖2 滿負荷1F、2F以及3F機組的不同部位的溫度變化

由圖2可知，在滿負荷運行情況下，3F機組定子部分產生的熱量大于1F和2F機組，或者3F機組冷卻系統的散熱能力弱于1F和2F機組。因此，需要進一步檢測定子溫度傳感器以及冷卻水系統。

3.2 定子溫度傳感器檢測

3F機組定子鐵心溫度傳感器安裝位置見表3。

表3 機組定子鐵心溫度傳感器安裝位置(表內括號數值為溫度傳感器編號)

由表3可知，3號、15號、18號點對應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)，此三個位置測量點未曾發生改變；17號點(溫度最低點)對應的測溫元件安裝位置在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、9號、12號點也位于定子鐵心下部且在層間，其溫度僅次于3號、15號、18號點，由此可以證實上述推斷。通過檢測定子溫度測量回路及其阻值，均未發現異常，溫度傳感器工作正常，排除溫度傳感器工作異常導致定子鐵心溫度測量不準確的因素。

3.3 冷卻水系統檢查

對3F機組的冷卻水系統進行檢查，1F、2F 和3F機組的8條進水管流量分布見表4。其中3F機組3號及7號空冷器進水管流量偏低較為明顯，分別為5.14 m3/h、5.07 m3/h，流道內可能存在堵塞，測量3臺機組上導、水導等進水管的流量基本一致。

表4 1F、2F 和3F機組的8條進水管流量分布表

3.4 定子直流電阻檢查

通過分析歷年的預防性試驗數據，發現3F機組定子絕緣電阻值及直流電阻值均無明顯變化。且3F機組與1F、2F機組定子直流電阻相比，亦無明顯差異。3F機組定子近年絕緣電阻記錄和1F、2F、3F機組直流電阻對照見表5和表6。

表5 3F機組定子近年絕緣電阻記錄表

表6 1F、2F、3F機組直流電阻對照表

4 定子鐵心溫升異常原因分析

2019年9月上旬，將3F機組風洞進人門由封閉式改造為網門形式，風洞內散熱條件較之前有所改善，改造后，18號點至今溫度最高為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定子溫升測量準確度有輕微影響，但不是影響3F機組定子溫升異常的主要原因。

3F機組冷卻水水質與1F、2F機組一致，但總流量略微偏低，其中3號、7號冷卻器進水管流量明顯偏低，可能存在流道內有堵塞的情況，對冷卻水系統有一定影響，但對比三臺機組定子溫度差與冷卻水流量差后進行判斷，也可能不是3F機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生的原因，鑒于3F定子直流電阻與1F、2F機組試驗數據基本一致，排除銅損引起溫度升高，進而可判斷3F機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導致渦流增大。

5 后續處理方案

根據運行規程規定，3F機組發電機的絕緣等級為F級，定子繞組溫度不超過90 ℃，定子鐵芯的溫度不超過120 ℃。目前3F機組定子溫度最高約83 ℃，均遠低于允許值，能保持穩定。但為了將安全隱患徹底排除，確保機組更長周期的安全穩定運行，確定3F機組定子溫升異常處理方案流程見圖3。

圖3 3F機組定子溫升異常處理方案流程圖

6 結 語

針對某發電站60 MW發電機定子鐵心溫升異常問題，對造成溫升異常的原因進行詳細分析，最終確定引起該發電機溫升異常的主要原因為定子鐵芯片間絕緣性能降低或鐵心松動導致渦流增大。實際檢測結果與理論分析結果相吻合，證明了分析方法的正確性。結合理論分析以及檢測結果，提出解決該類溫升異常的后續處理流程。五種引起發電機溫升的損耗類型中，鐵耗是導致穩定運行發電機溫升異常的主要原因，發電機運行過程中由于振動等原因導致疊壓的硅鋼片松動以及硅鋼片間絕緣性能降低，從而增大發電機的渦流損耗。如何有效預防發電機在運行過程中的疊壓硅鋼片松動以及片間絕緣性能降低，保證發電機各類損耗在正常設計范圍內，是發電機組安全運行的研究重點。對于穩定運行過程中的發電機溫升異常問題，可首先檢查其鐵心損耗，確認是否由渦流損耗增大所引起。