皮托管通風試驗在發電機故障排查中的應用

周其彬

（四川華能涪江水電有限責任公司，四川 成都610041）

1 概述

自一里水電站地處四川省涪江上游最大一級支流火溪河上，是火溪河梯級電站的第二級，電站正常蓄水位2 034.00 m，額定水頭445 m，裝機容量2×65MW，機組為立軸混流式結構，由原克瓦納（杭州）發電設備有限公司成套供貨，機組轉速600 r/min，為一中型水電站。兩臺機組分別于2004年12月和2005年4月投入商業運行。

自一里水電站發電機共安裝有8組空氣冷卻器，發電機定子繞組156槽，定子鐵心46疊。發電機冷卻設計采用密封自循環雙路徑軸向通風方式，按理想設計，發電機的通風循環方式為：轉子兩端裝有螺槳式風扇，風壓由螺槳式風扇產生，從空氣冷卻器出來的冷卻氣流分別通過機坑和上、下機架進入發電機內部，冷卻定、轉子繞組和鐵心，變成熱風后，由機座進入到空氣冷卻器，經過冷卻后又重新進入發電機，如此形成周而復始的循環，把發電機在運行中產生的熱量帶走。發電機空氣冷卻器冷卻水進水溫度不超25℃，設計的發電機密閉通風循環方式如圖1所示。

2 發電機鐵心過熱情況

自一里電站水輪發電機出廠時，未在定子鐵心端部裝設測溫電阻，而在鐵心中部安裝了12只測溫電阻。機組滿負荷65 MW運行時，監視定子鐵心溫度一般在60～70℃，讓大家誤認為發電機通風散熱良好。但在1號機組A修期間，發現定子上下端部各有兩疊鐵心出現過熱發黑情況。為查找過熱發黑原因，監測定子鐵心溫度是最直接的方法。

圖1 設計發電機風路循環圖

我們在定子鐵心上下兩端部內側1～2疊、45～46疊之間互成120°埋設6只Φ5.5×25 mm PT100測溫電阻。通過運行65 MW額定負荷2 h觀察，發現鐵心上端最高溫度達131℃，鐵心下端最高溫度達178℃。該機組定、轉子均為F級絕緣，絕緣耐熱溫度155℃，定子鐵心運行中允許溫升為75 K，以環境溫度25℃考慮，定子鐵心運行溫度不宜超過100℃，而鐵心端部實際運行溫度已遠遠超過了安全值，試驗證明溫度過高是引起定子鐵心端部過熱發黑的直接原因。為防止鐵心溫度過高加快絕緣老化而引起鐵心短路，我們采取了限負荷運行，通過試驗最終限定機組在40 MW可連續運行。

為了進一步搞清楚發電機定子鐵心整體溫度分布情況，在鐵心外側+Y方向自上而下埋設了8只Φ5.5×25 mm PT100測溫電阻，用以監測鐵心縱向各疊實際運行溫度。通過連續運行40 MW負荷觀察，發現鐵心縱向溫度分布不均，呈現上下兩端高，中間低的情況，（圖2、圖3）。通過查閱大量關于發電機定子鐵心溫度高的案例及文獻，發現發電機定子鐵心溫度高的原因，在排除定子鐵心短路故障后，大部分是由于通風散熱不良引起。為此，現場對定子通風系統進行了實測，以便掌握實際風場分布，與設計進行比較，查找定子鐵心過熱是否由通風散熱不良引起。

圖2 鐵心外側探頭埋設位置圖

3 傳統通風試驗

首次通風試驗，我們采用傳統的手持式5725型風量測速儀進行測量。測量內容包括：發電機總風量、上下風道風量和發電機定子鐵心縱向通風溝風速。從測試情況看，設計總風量48 m3/s，實際測總風量為74.78 m3/s，實測總風量遠遠大于設計總風量。其中，上端部進風量41.42 m3/s，下端部進風量39.31 m3/s，且上下進風道風速較紊亂，數據值僅供參考。

圖3 有功40 MW鐵心縱向溫度分布

根據實測總風量看，定子鐵心冷卻效果應該非常良好。為進一步分析定子鐵心縱向通風溝風量分布情況，現場取下7號空冷器，實測了定子鐵心縱向46疊通風溝風速，通風檢測結果見表1。通過對風溝風速測量數據分析發現，整個鐵心縱向風溝通風分布不均勻且數據跳變，規律性不強，如風溝10～12、25～27、37～39、40～42 都出現數據異常變化情況，與相鄰風溝風速比較偏差過大。另外，實測數據顯示，鐵心整體風量分布呈現兩端風速大，中間風速小，與發電機鐵心溫度兩端高中間低現狀不吻合。現場實測過程中也發現由于7號空冷器未裝，此處風阻最小，在用風速儀測量通風溝風速時，相鄰兩側出風風速較高且紊亂，是影響測量數據不準和突變的主要原因。其相關測量數據對分析定子鐵心風場實際分布和過熱參考意義不大。

表1 風速儀檢測定子鐵心風溝風速結果

4 皮托管通風試驗

對于發電機風場分布較復雜的環境，由于有些部位風場紊亂，采用風速儀測量的數據與實際情況偏差過大，特別是鐵心背部通風溝風速檢測。為了較為準確的掌握定子鐵心縱向風場分布情況，查找鐵心發熱的真正原因，現場采用目前比較權威的通風試驗檢測方案，皮托管配套微壓計檢測法。皮托管，又名“風速管”，是測量氣流總壓和靜壓以確定氣流速度的一種管狀裝置。用皮托管測風速和確定流量，有可靠的理論根據，使用方便、準確，且受干擾小，是一種經典廣泛的測量方法，如飛機測量相對空氣的飛行速度，隧道、礦井通風等氣流速度。

4.1 試驗方法

自一里電站發電機定子鐵心通風溝寬度為8 mm，現場試驗配置了直徑6 mm的不銹鋼皮托管。皮托管安裝插入通風溝100 mm，管口正對定子圓心方向，盡量保持正對迎風面，減小測量誤差，皮托管尾部應焊接鋼筋支架，用于綁扎固定，防止皮托管移位。

為保證檢測數據與實際運行工況一致，所有測量設備盡量放置在空冷器外側，減小測量設備風阻的影響。現場將皮托管安裝在空冷器內側，微壓計等測量元件全部安裝在外側，然后將空冷器回裝。通過塑料軟管將皮托管與外側微壓計相連，檢測通風溝風壓，再通過軟件計算出實時風速，具體安裝布置如圖4所示。

4.2 試驗結果及結論

為檢測發電機鐵心縱向風場分布，現場根據實際工況，在鐵心縱向通風溝安裝20支皮托管。鐵心下端1～6疊、上端41～46疊為重點檢測部位，每疊通風溝安裝一只皮托管。7～40疊鐵心通風溝為間隔安裝，檢測風場分布趨勢，實際檢測結果見表2。

表2 皮托管檢測定子鐵心風溝風速結果

根據試驗數據分析，發現1號發電機定子鐵心通風溝上下端部風速小，中部風速大。中部通風溝最大風速達到20.81 m/s，下端通風溝風速最小為2.58 m/s，上端通風溝最小風速為4.08 m/s，鐵心縱向通風溝最大風速差達到了8倍。其風場分布極不合理，造成定子鐵心中部冷卻散熱效果好，上下端部冷卻散熱效果差的情況，與發電機定子鐵心實際運行溫度表現一致。

公司同時委托哈動國家水力發電設備工程技術研究中心，對自一里電站機組鐵心過熱情況進行分析研究。通過發電機通風模擬計算，發現其機組通風結構設計不合理，風場分布呈中間大兩端小的情況，其結論為通風冷卻不良是導致定子鐵心過熱的主要原因。與現場采用皮托管試驗法檢測通風數據趨勢一致，故障原因得到有效驗證。

5 結語

通過皮托管通風試驗在自一里水電站發電機故障排查中的實際運用，其檢測出的數據與發電機實際風場分布一致，試驗數據真實可信，為發電機定子鐵心端部過熱故障原因分析和后期定子技改提供了有力的數據支撐。本文介紹的試驗方法適用于風場分布較為復雜的環境部位，其方法受干擾小且較常規風速儀檢測法更準確可靠，對需要實際驗證水輪發電機通風系統風場分布和故障排查具有一定的參考意義。