鄭程遙，衛(wèi)小筠，唐旭東，李晉琴

（1.廣東水利電力職業(yè)技術學院，廣東 廣州 510000；2.廣州市恩萊吉能源科技有限公司，廣東 廣州 510655）

水輪發(fā)電機超出力的設計與計算

鄭程遙1，衛(wèi)小筠2，唐旭東2，李晉琴2

（1.廣東水利電力職業(yè)技術學院，廣東 廣州 510000；2.廣州市恩萊吉能源科技有限公司，廣東 廣州 510655）

水輪發(fā)電機超出力運行在工程中普遍存在，但目前在理論上尚無相關的在工程上可資應用的成果。統(tǒng)計表明，發(fā)電機超出力的主要影響因素是定子繞組，其本質是絕緣的熱擊穿。由此，提出了基于Montsiger定律的發(fā)電機超出力設計與計算的方法，并對相關的主要參數(shù)進行了探討，通過工程實例驗證，證明了其合理性。

水輪發(fā)電機；絕緣壽命；超出力運行

水輪發(fā)電機的超出力，是指在一定的水文條件下，水輪發(fā)電機組超過銘牌給定的額定出力運行。超出力運行，常常是用戶對制造廠提出的基本要求。盡管在國標GB/T7894-2009中規(guī)定了水輪發(fā)電機在事故條件下允許的短時過電流及相應的限制時間，但實際上，發(fā)電機超出力是一個系統(tǒng)性問題，不僅僅是出于事故的考慮，而且會基于水能利用或電力系統(tǒng)調度的要求，不僅僅是發(fā)電機電流的考慮，而更直接的是溫度的限制，它與定子電流，絕緣結構，通風冷卻系統(tǒng)都有內在的聯(lián)系。而在現(xiàn)今的工程實踐中，超出力問題，未見規(guī)范化的解決方案，使有關技術人員感到困惑。因此探討發(fā)電機超出力的影響因素和內在邏輯，總結其規(guī)律，以指導水輪發(fā)電機超出力的設計、制造和運行，是十分必要的。

1 發(fā)電機超出力的影響因素及絕緣壽命計算

1.1 發(fā)電機超出力運行的影響因素

發(fā)電機超出力影響因素較多，但主要是機械強度、電場強度分布及絕緣壽命等。一般情況下，水輪發(fā)電機組機械強度都留有一定的裕量，發(fā)電機機械強度裕量最大可達40%以上[1]，所以就一般情況而言，機械部件是有能力超出力運行的，不應作為控制條件。理論和實踐都表明，超出力運行一般不會造成設備的瞬間破壞，而是呈現(xiàn)一種累積效應，影響機組的壽命。在水輪發(fā)電機零部件系統(tǒng)中，不同的零部件其壽命周期也不同，根據(jù)國外有關部門對15個國家389臺水輪發(fā)電機進行了調查統(tǒng)計，其結果如表1[1]。

表1 水輪發(fā)電機的零部件改造

從表1可看出，定子繞組是決定發(fā)電機使用壽命及超出力的關鍵部件。定子繞組的損壞，主要是指絕緣的損壞。目前，一般水輪發(fā)電機組采用固體介質絕緣，其破壞方式為電擊穿或熱擊穿，在其它條件相同時，電擊穿場強較高，為熱擊穿場強的100倍[2]，所以，就絕緣損壞來講，熱擊穿為控制因素。

電機絕緣結構的熱平衡方程為[2]：

式中：

εγ—介質的相對介電常數(shù) δ—散熱系數(shù)

E—電場強度 λ—介質的導熱系數(shù)

tgδ0—介損 α2—固體介質的溫度損耗系數(shù)（1/℃）

tm—介質的中心溫度 t0—介質的表面溫度

上式，左右兩邊均為溫差(tm?t0)的函數(shù)，左邊表示固體介質的內部因損耗產(chǎn)生的熱量與溫度成指數(shù)關系，而右邊表示，固體介質通過熱導向周圍媒質傳出的熱量，與溫度成直線關系，如圖1所示。

圖1 在一定電場下，介質發(fā)熱及散熱與溫度的關系

由圖1可看出，在一定的電場（電壓）下，介質的熱平衡曲線有兩個熱平衡點a、b。但a點為穩(wěn)定熱平衡點，b點為不穩(wěn)定熱平衡點，當介質由于損耗發(fā)熱使其中心溫度在ta與tb之間，或小于ta時，通過周圍媒質的散熱調節(jié)，介質中心溫度穩(wěn)定在ta，固體介質不會發(fā)生熱擊穿。當介質中心溫度大于tb時，發(fā)熱一直大于散熱，介質中心溫度會不斷上升，最終發(fā)生熱擊穿。

從物理成因來講，固體電介質受熱后，質點熱運動加劇，使介質產(chǎn)生更多的載流子或給載流子創(chuàng)造更好的遷移條件，因而電導增加。與此同時，介質受熱還可使極化加劇，極化損耗增大。這樣，電導及極化損耗產(chǎn)生的熱量使介質溫度升高，溫度升高又使介質損耗增加。這種惡性循環(huán)，在散熱不良的情況下，不僅加速介質的熱老化，而且還可能導致固體介質燒焦、熔融、開裂等熱破壞，最終引起熱擊穿。因此，每種固體介質都要測定其耐熱性能，并規(guī)定其適當?shù)墓ぷ鳒囟?。如?所示的工作溫度，是固體電介質允許的最高溫度，是介質的物理、化學、機械及電性能都長期基本不變的溫度。當介質超過此溫度長期工作時，其性能將迅速變劣，引起加速老化，從而影響介質的使用年限或絕緣壽命。

表2 絕緣的耐熱等級

1.2 電機繞組絕緣壽命的計算

絕緣壽命的影響因素很多，主要是熱累積效應，此外，還有電的作用，機械力作用以及水分、氧化、各種射線及微生物的作用等。這些因素的作用往往互相影響、互相促進，從而加速老化過程。但由1.1分析，這些因素只是在超過一定限度時絕緣才顯示出劣化速率，即絕緣的老化才比較顯著，并因絕緣材料不同而異。

絕緣材料能耐受一定的電場強度與溫度。當電氣設備按規(guī)定的條件運行時，雖然長期受電、熱等各種因素作用，仍可達到規(guī)定的絕緣壽命。

電機的絕緣壽命，可依據(jù)Montsiger定律進行計算。

式中，Tθ溫度為度時絕緣壽命，T0為溫度在標準極限溫度下的絕緣壽命,一般取8年。

絕緣耐熱等級為A、B、F時，K值分別為8,10,12[3]；當θ?θ0（溫度升高值）分別等于8,10,12時，T=T02，即絕緣壽命降低一半。

事實上，發(fā)電機的絕緣壽命，取決于整個運行周期發(fā)電機溫度與時間的分布。為簡化計算，可以典型年為代表，計算發(fā)電機的絕緣壽命。

將典型年一年（8760h）中發(fā)電機溫度和時間段的對應關系作合理的劃分，（θ1,t1）…（θ2,t2）…（θi,ti）…（θn,tn），如圖2所示：

圖2 發(fā)電機溫度和時間段對應關系曲線

將式（2）代入式（4）并整理得：

式中，h表示小時，y表示年。

例如，某水輪發(fā)電機采用B級絕緣，根據(jù)其年出力曲線，可將其溫度和時間劃分為三段（0.5y，100℃），（0.15y，130℃），（0.35y，120℃）；則其絕緣壽命為：

2 水輪發(fā)電機超出力的設計與計算

2.1 電機絕緣壽命與溫度限制的討論

正如前述，水輪發(fā)電機的損壞，主要是熱擊穿，而發(fā)電機超出力，使發(fā)電機熱性能變劣，從而引起溫度升高，但熱破壞是時間累積的結果，因此，發(fā)電機超出力，主要受電機繞組絕緣壽命限制。

電機絕緣壽命值，可依據(jù)用戶在招標文件中給定的數(shù)據(jù)確定。如招標文件無此要求，則設計人員應確定一個合理的數(shù)值。顯然，這個數(shù)值應與社會經(jīng)濟背景有關，也應與發(fā)電機整體的主要部件的壽命相匹配，定得過高或過低，都是不經(jīng)濟的。在我國，從歷史經(jīng)驗來看，宜選擇25～40年。應該指出，傳統(tǒng)理論將電機溫升限值作為額定出力的對應值的設計方法是不夠全面的，因其忽略了運行過程對絕緣壽命的影響。例如，某水電站，發(fā)電機采用B級絕緣，年利用小時數(shù)達6600 h，按Montsiger公式估算，發(fā)電機絕緣壽命約21年，壽命周期太短。而在我國的工程實踐中，絕大多數(shù)電站都是在溫升限值下留了相當大的一個裕量作為溫升限值，就目前的電機設計而言，“F級絕緣材料，B級溫升”已成為一種國際慣例，充分說明了國內外對電機絕緣壽命是敏感和謹慎的。事實上，即使F級絕緣材料，從綜合熱效應出發(fā)，目前用戶和制造廠都沒有將溫度約定在B級相應的限值，而是留了一個5K～10K的裕量，這是考慮到絕緣材料壽命的分散性和制造、安裝工藝的影響。例如取溫度限值為120℃～125℃，并且設定表觀溫度與電機體內最高溫度差值約10℃～15℃，故允許表觀溫度約105℃～115℃。

2.2 水輪發(fā)電機超出力的設計與計算

水輪發(fā)電機超出力運行，控制條件是絕緣壽命，但歸根到底，是與電機繞組的溫度與時間對應的分布有關。根據(jù)水力發(fā)電的特點，宜將之與水文、水能及水利計算的時間分段相結合。為簡單記，按月溫度分布來計算電機的絕緣壽命。根據(jù)前面的討論，將適于工程應用的電機超出力的設計與計算方法歸納如下：

1）確定電機的絕緣等級與絕緣壽命TL。

3）當無超出力運行時，由式（5）計算電機的絕緣壽命 ，即：

如T>TL，方案可行，如T>TL，則應修改電磁方案（含通風冷卻條件）。

4）當有超出力運行時，超出力持續(xù)時間為tm天，超出力時的平均功率為pm，則通過電磁計算，可將出力為pm時對應的溫度算出，設為θm，這時電機的絕緣壽命為：

式中，q為超出力發(fā)生的月份，qθ為超出力月份中除去超出力日數(shù)的總日平均溫度，mθ為超出力日數(shù)對應的平均溫度。

超出力可行的判據(jù)為：

否則應調整電磁計算，得到合適的mθ，直至滿足式（8）。

式（6）～（8），以溫度與絕緣壽命為參數(shù)確定超出力限值，更直接反映了超出力的物理本質，由于mθ是通過電磁計算得到，所以綜合考慮了發(fā)熱和散熱的各種影響因素，其基本點是國際上公認的Montsiger定律，因此，具有工程應用的可靠性。

2.3 有關參數(shù)的討論

（1）T0：T0為在極限溫度下的絕緣壽命。目前，國內外文獻提供的數(shù)據(jù)有很大的差別[1][2][3][4]，因為是統(tǒng)計數(shù)據(jù)，具有一定的分散性，約6～13年，我們根據(jù)已有記錄的數(shù)反求，宜取8年合宜，但T0的取值，仍是值得研究和討論的問題。

（2）mθ：mθ為在超出力運行定子繞組的溫度。定得太低，將影響制造成本；定得太高，將影響絕緣壽命，根據(jù)電機按F級絕緣材料B級絕緣考核的性能，宜取125℃，即表觀溫度為115℃合宜。

（3）TL：TL為要求的定子繞組絕緣的壽命。一般為25～40年，水電站經(jīng)濟評價計算周期為30年，故取30年為宜。

3 應用實例

廣東某水電站，于2005年建成投產(chǎn)，裝設4臺水輪發(fā)電機組，單機額定功率為18MW，功率因素為0.95，額定電壓為10.5kV，發(fā)電機絕緣按F級絕緣材料、B級溫升進行設計，該電站2013年1#機組運行溫度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)如下：

表3 1#機組一年運行月平均出力、溫度

從表3可以看出，該機組在2月、6月、7月和9月的平均出力大于額定出力，水輪發(fā)電機組在超出力運行，根據(jù)2.2中的計算方法和2.3中參數(shù)的選擇原則，按該典型運行方式其水輪發(fā)電機組的壽命為：

從計算結果可以看出，即使在四個月發(fā)電機組超出力運行，其絕緣壽命也滿足使用年限的要求，因而上述超出力是可行的。

實際上該電站運行10年來，發(fā)電機定子繞組的絕緣強度依然保持在正常的水平。

4 結語

（a）水輪發(fā)電機超出力運行，是水電站提高經(jīng)濟效益，電力系統(tǒng)提高安全穩(wěn)定運行水平的常用方法；

（b）一般情況下，水輪發(fā)電機超出力運行的控制條件是發(fā)電機定子繞組溫升，更確切的說，是定子繞組溫度與時間的關系；

（c）水輪發(fā)電機超出力的計算，主要方法是根據(jù)定子繞組溫度與時間的分布，依據(jù)Montsiger公式計算其絕緣壽命，使其絕緣壽命取值在25～40年內，或按招標文件的要求。

[1] 陳錫芳.水輪發(fā)電機結構運行監(jiān)測與維護[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

[2] 劉炳堯.高電壓絕緣基礎[M].湖南：湖南大學出版社，1986.

[3] 丁舜年.大型電機的發(fā)熱與冷卻[M].北京：科學出版社，1992.

[4] [英]J.H.沃克 著 馬國珩 主譯.大型同步電機設計、制造與運行[M].《東方電機》編輯部，1989.

The Design and Calculation of Hydro-generator with Excess Output

ZHENG Cheng-yao1, WEI Xiao-yun2, TANG Xu-dong2, LI Jin-qin2
(1 .Guangdong Technical College of Water Resources and Electric Engineering, Guangzhou 510635, China;2. Guangzhou Energy Science and Technology Co., Ltd., Guangzhou 510655, China)

Operation of hydro-generator at excess output is common in projects, but there is little relative theoretical achievement that can be applied in engineering. Statistics shows that the main factor that influences hydro-generator with excess output is motor winding , which in essence is thermal breakdown of insulation. In this paper, based on the law of Montsiger, the design and calculation method about hydro-generator with excess output is proposed, and the relevant parameters are discussed. The rationality of this method has been proved with engineering instance.

hydro-generator; insulation life; excess output operation

TM713

A

1672-2841（2016）01-0032-04

2016-02-27

鄭程遙，男，教授級高工，博士，主要從事水電設備的研發(fā)、重大水電工程技術管理工作。