杜 君

(五大連池市山口湖開發(fā)建設中心，黑龍江 五大連池 164100)

1 水輪發(fā)電機增容改造的途徑

水輪發(fā)電機增容改造首先取決于水輪機的性能。如果水輪機轉輪性能優(yōu)良，出力裕度大，這就為發(fā)電機的增容改造奠定了良好的基礎。其次就是發(fā)電機本身發(fā)揮其應有的潛力，同樣可以獲得增容改造的良好效果。

如改造定、轉子繞組，可減少其銅損，降低繞組溫升；改造通風，可以減少通風損耗，這些改造措施都能降低機組的內部損耗，使出力相應提高。

水輪發(fā)電機改造的途徑是多方面的，要根據(jù)被改造發(fā)電機的具體情況來決定。

對增容改造而言，最關鍵的問題是發(fā)電機的溫度。發(fā)電機控制溫度，應根據(jù)絕緣溫度限制值來確定。對B級絕緣為130℃；F級絕緣為155℃。如果以機旁表計的最高指示值做為發(fā)電機運行溫度的監(jiān)視值，應考慮此值不是電機運行的最高值。因此需考慮下列因素：

1)電機溫度沿軸向和周向(正對冷卻器和冷卻器之間)的不均勻。

2)上、下層線棒之間的槽間溫度與相對應位置處絕緣內的銅溫之差。

3)不理想的換位所造成的局部點銅溫與表盤指示值之差。

因此，發(fā)電機的實際連續(xù)運行溫度應控制在(機旁表計)：①對B級絕緣≤100℃；②對F級絕緣≤120℃。

另外，電機的絕緣除溫度上升促進熱老化外，還有電腐蝕老化；環(huán)境(包括溫度、微生物等)因素而引起的大氣老化；電磁、機械引起的機械力、振動的傷害等。更主要的還有不同的制造廠家制造的定子線棒在質量上差別較大，故發(fā)電機的實際連續(xù)運行控制溫度應根據(jù)實際情況綜合確定。

2 立式水輪發(fā)電機熱量的產(chǎn)生、導散及發(fā)電機的溫度和溫升

2.1 主要損耗的導散

發(fā)電機運行時，將在發(fā)電機內產(chǎn)生如下?lián)p耗。

1)定子繞組的銅損耗PCU。

2)定子鐵芯的鐵損耗PFe。

3)勵磁繞組的銅損耗Pe。

4)風靡損耗PV。

5)軸承損耗Pd。

以上這些損耗除Pd之外，其它損耗均由電機的冷卻系統(tǒng)傳出。對空冷發(fā)電機大體分配如下：定子銅損占總損耗的20%-25%；鐵損占總損耗的20%-24%；勵磁損耗占總損耗的18%-22%；風靡損耗占總損耗的30%-40%。這些損耗將轉化成熱量，由電機內穿過各包圍物體，不斷向外導出。在沿熱量導出的路徑上形成了不同的溫度。當電機穩(wěn)定時，發(fā)電機發(fā)出的熱量一定等于散出的熱量，沿途各溫度值也不變。不論何種發(fā)電機，熱量的導散都分為3種方式：

1)固體內的熱傳導(傳導)。

2)固體散熱表面對空氣的放熱(輻射)。

3)冷卻空氣隨帶熱量與水或對周圍大氣進行熱量交換(對流)。

2.2 發(fā)電機定子熱量導散流程

發(fā)電機定子熱量導散流程圖見圖1。

圖1 發(fā)電機定子熱量導散流程圖

如圖1所示，在熱量導散的路徑上，各包圍物體的分界面上的溫度為：tCU;tFe;tC;t1;t2;t3;t4形成個物體內的溫度降。

tCU-tFe=△Ti為絕緣溫降；

tFe-tC=△TFe為鐵芯溫降；

tC-t2=△TS為表面溫降；

T2-t1=△TV為風溫降；

T1-t4=△TK為水溫降。

2.3 定子線圈和鐵芯的熱傳導

定子線圈的熱量首先穿過絕緣層，再進入鐵芯內，然后與定子鐵芯的熱量一起，傳到鐵芯散熱表面上。這種發(fā)生在固體內的熱量傳動，屬于固體的熱傳導方式，按付立葉方程，絕緣和鐵芯的內外表面溫降分別為：

(1)

(2)

式中：δi為定子繞組絕緣單邊厚度；LFe為定子鐵芯平均導熱路徑長度；λi為定子繞組絕緣的熱傳導系數(shù)；λFe為鐵芯的平均導熱系數(shù)；Si為線棒絕緣的外表面積；SFe為鐵芯的外表面積。

當導熱量不變時，固體內的熱傳導，產(chǎn)生在固體內與外表面上的溫差，與固體厚度成正比，與材料的導熱系數(shù)及散熱表面積成反比。

2.4 線圈和鐵芯表面對空氣的散熱

線圈和鐵芯的熱量傳到定子散熱表面后，由流經(jīng)定子表面(風溝及內外表面)的空氣吸收并帶出，冷風變成熱風。發(fā)生在固體表面與流動的空氣之間的熱量轉移，即為空氣的放熱過程。固體表面對空氣的溫降，按牛頓方程為：

(3)

式中：αV為冷卻空氣的放熱系數(shù)，主要和空氣流速的0.8次方成正比。

熱量一定時，表面溫降與放熱系數(shù)、散熱表面積成反比。鐵芯散熱表面積越大，風溝內空氣的流速越高，表面溫降越小。

2.5 冷卻器內外的風溫降

熱風通過冷卻器后，將熱量傳給水重新變成冷風，熱風與冷風的溫降：

(4)

式中：CV為空氣的熱容量；Q0為通過冷卻器的風量(電機的總風量)

由上式可知，損耗產(chǎn)生的熱量一定，風量越大，風溫降越小。

2.6 通過冷卻器的風水平均溫降

發(fā)生在冷卻器內的是熱風穿過冷卻器，將熱量傳至冷卻管，自身變成熱風；冷卻水流入冷卻管內，吸收冷卻管傳來的熱量變成熱水，此過程為兩種流體的熱交換過程。如不考慮冷卻器周邊的散熱，空氣放出的熱量恒等于水吸收的熱量。冷卻器內的熱交換過程是管外空氣和管內水對各自接觸表面的放熱過程和管壁由外向內傳熱過程的綜合[2]。此時風和水的平均溫降。

(5)

式中：KL為冷卻器的傳熱系數(shù)；FL為冷卻器風側總表面積。

冷卻器的風水溫降，在熱損耗一定時，與冷卻器傳熱系數(shù)KL及風側散熱表面積FL成反比。

2.7 電機的溫度和溫升

如圖(1)所示，電機線圈的溫度將等于熱路上各點溫降之和：

Tcu=ΔTi+ΔFFe+ΔTS+ΔTr+ΔTK+T4

(6)

式中所表達的電機溫度組成式，具體有如下2個特點。

1)穩(wěn)定性：除冷水溫度t4外，其余各溫降在同一負荷穩(wěn)定時其數(shù)值不變。

2)獨立性：電機負荷一定時，改變其中任何一項，其余數(shù)值基本不變。

式中的第一項和第二項為電機的結構溫升，只和電機的結構、材質及制造工藝有關，要想降低這部分溫升，只能在材料、結構方面采取措施。

式中的第三項和第四項為電機的通風溫升，只和通風系統(tǒng)有關，降低這部分溫升，應從通風系統(tǒng)入手。

前四項之和為電機本體的溫升，電機本體溫升是考察電機本身質量的重要指示，它和環(huán)境無關，電機負荷一定時，其值不變。

式中的第五項和第六項之和為電機的環(huán)境溫升。

由式中可以看出，降低電機的溫度可以降低式中任意一項或幾項著手。診斷電機的溫度，就是比較式中各項數(shù)值與設計值或正常電機相應值的差別，哪一溫區(qū)段超標，就從哪一段去分析、改造，可事半功倍。

另從6式電機溫度的基本關系式，并利用電機實際表盤溫度計的指示值，分析電機各段溫差，是診斷電機溫度過高或需降溫的主要矛盾和手段。

電機表盤各指示值與式(2-6)比擬如下：

槽間溫度—槽底溫度≈絕緣溫降ΔTi

槽底溫度—熱風溫度≈鐵芯溫降ΔTFe+表面溫降ΔTs

熱風溫度—冷風溫度≈風溫降ΔTv

冷風溫度—冷水溫度≈冷卻器平均風水溫降ΔTk。

3 定子繞組更新

定子繞組更新在發(fā)電機的改造中是經(jīng)常發(fā)生的，通常在以下幾種情況下進行定子繞組更新：

1)機組發(fā)生故障(短路、接地)而引起的定子繞組絕緣損壞，無法繼續(xù)運行，必須進行定子繞組更新。

2)機組長期運行，導致定子繞組絕緣老化，性能急劇下降，并已到了一定的壽命期，繞組需更新。

3)電機容量增加，電負荷增加，原繞組已不能適于增容后新的電磁參數(shù)的要求。

無論上述哪一種情況，當了繞組更新時，都會存在發(fā)電機增容的空間，其理由是：

過去(20世紀60-70年代)的水輪發(fā)電機定子繞組多為A級絕緣，由于A級絕緣的熱傳導系數(shù)較低，僅為0.0016W/cm℃,在絕緣溫升允許范圍內，發(fā)電機的出力必然受到影響。而現(xiàn)在廣泛使用的B級、F級桐馬-環(huán)氧粉云母帶，其熱導系數(shù)為0.002W/cm℃。因此將A級絕緣改換成B級或F級絕緣，在絕緣厚度相同的條件下，就可以使發(fā)電機的出力提高10%-15%。在相同的電壓等級條件下，采用B級或F級環(huán)氧粉云母絕緣，其繞組的絕緣厚度可減薄15%-20%。絕緣厚度的減薄有利于繞組的散熱，在原有槽形不變的情況下。就可增加繞組銅線截面積，增加機組的輸出功率[3-4]。

4 定子鐵芯更新

定子改造時，如改造的機組運行時間(如不超過10a)不是太久，機組運行時定子溫度不高，一般定子鐵芯可不做更換。

如果定子鐵芯長時間過熱，就會加速片間絕緣的老化，使用有機漆絕緣的鐵芯更容易出現(xiàn)這種情況。這是因為溫度過高會使溶劑中的低分子成分揮發(fā)，造成漆膜過度干燥，變脆、開裂，最終剝落。由此導致片間短路故障，造成渦流增加，并會使鐵芯運行溫度逐漸升高，甚至出現(xiàn)局部熔化。

除了改進結構外，從增容方面，可以從以下幾點考慮：

1)改變定子槽數(shù)，優(yōu)化電磁方案。發(fā)電機增容與定子線負荷AS值有關，當發(fā)電機主要尺寸和支路數(shù)不變時，AS值又與定子槽數(shù)有直接關系。因此優(yōu)化電磁方案時如有可能適當?shù)卦黾佣ㄗ硬蹟?shù)，以此達到發(fā)電機增容的目的。

2)選用優(yōu)質材料，降低發(fā)電機鐵芯損耗。定子鐵芯更換時，可選用高導磁，低損耗的優(yōu)質硅銅片，以降低發(fā)電機鐵損耗，提高效率，增加發(fā)電機出力。

3)優(yōu)化定子鐵芯設計，改善通風，冷卻條件。近年來的研究成果表明，定子通風溝高度和鐵芯厚度對鐵芯部分的冷卻尤為重要。據(jù)理論分析和實踐證明，一個10mm高通風溝內的空氣，兩邊各有3mm寬的一層與鐵芯壁接觸，進行有效的熱交換冷卻定子鐵芯，而其余的4mm寬的中間帶對鐵芯的冷卻影響很小。因此，改造和更換定子鐵芯時，適當減小通風溝高度(可改為6mm),同時在保證定子鐵芯總長不變的情況下，適當減薄定子鐵芯段的厚度，可以大大改善定子鐵芯的冷卻條件，為發(fā)電機的增容提供了保證。

5 轉子部分更新

根據(jù)國內外水輪發(fā)電機增容改造的經(jīng)驗，發(fā)電機增容10-15%時，一般轉子部件可不做變動。但轉子電流和電壓將有所增加，故增容時會受到轉子溫升的限制，在這種情況下要對轉子部件進行相應地改造。

1)改變功率因數(shù)。在條件允許的情況下，適當提高發(fā)電機的功率因數(shù)，使其轉子電流不超過允許值，以有效地將轉子溫升控制在規(guī)定的范圍內，而使發(fā)電機出力增加。

2)轉子線圈更新。轉子線圈與定子線圈不同，散熱條件也不一樣。

圖2 轉子線圈斷面圖

由圖2可見，轉子線圈被厚厚的極身絕緣所包圍，幾乎不能向極身傳熱，匝與匝之間熱密度相等，也沒有熱量傳遞，唯一能傳熱的就是線圈的側表面。按圖2熱流方向成一維傳熱方式傳熱，轉子溫升表達式為：

(7)

式中：b為轉子線圈銅線寬；Se為轉子線圈銅線的側表面；λcu為銅的平均導熱系數(shù)；αe為表面散熱系數(shù)；Qe為直接吹拂轉子磁極線圈的風量

(8)

由此可見，轉子的溫升，主要取決于線圈的損耗Pe和吹拂線圈的風速大小及側表面面積。

線圈的損耗主要是直流電陰損耗：

Pe=IeRe

(9)

式中：設轉子線圈銅線厚度為d；寬度為b；匝數(shù)為n；每匝長度為Ln；極身高度為He；于是轉子線圈銅線斷面積為bd；散熱表面積Se=nLnd=HeLn

故式(5-1)以安匝數(shù)計算，轉子溫升為：

(10)

若以電流密度je計算，則有：

(11)

由式(5-3)、(5-4)的反映，可得出轉子線圈更新的4個結論：

1)關于加匝，加匝后若能使銅線總有效高度增加，轉子溫升將有明顯降低，否則不起作用。

2)關于轉子線圈銅線加寬，若保持安匝數(shù)不變，可使溫升稍有降低；若保持電流密度不變，加寬后不但不能降低溫度，可能還會使溫升增加。

3)不論以什么為基準計算，采用七邊形銅線或增加散熱匝，增大表面散熱面積，是最有效的降溫辦法。

4)增大對轉子線圈表面冷風的吹拂，也是降低轉子溫升的有效辦法。

6 通風系統(tǒng)改造

6.1 通風系統(tǒng)

通風系統(tǒng)的重要性，已逐漸為人們所認識，主要在于以下5點：

1)通風系統(tǒng)是把電機運行時產(chǎn)生的熱量由內部散到外部的橋梁。

2)在電機運行的溫度組成中，風系統(tǒng)對溫升的作用(流體的對流作用)，約占全部的30%以上。

3)風系統(tǒng)自身的損耗，約占發(fā)電機總損耗的30%.

4)通風系統(tǒng)的結構，直接影響電機的檢修、維護和安裝運行。

5)20世紀70年代制造的水輪發(fā)電機的通風系統(tǒng)相對落后，采用先進的方法進行改造，潛力很大。

6.2 密閉自循環(huán)系統(tǒng)

圖3 密閉自循環(huán)雙路徑向通風系統(tǒng)

此種通風系統(tǒng)(圖3)風量利用率不高且通風損耗過大。實測表明大約有30%-40%的風量是流經(jīng)上、下端部，而定子槽正是發(fā)電機最熱的部分，其損耗約占定子損耗的90%，而冷卻槽部的風量卻只有總風量的70%。故此通風系統(tǒng)需改進、提升。

6.3 雙路徑向無風扇通風系統(tǒng)

圖4 雙路徑向無風扇端部回風通風系統(tǒng)

近年來，在大中型水輪發(fā)電機上都采用了雙路徑向無風扇端部回風通風系統(tǒng)(圖4)，這種通風系統(tǒng)與密閉自循環(huán)雙路徑向通風(圖3)系統(tǒng)比較，有以下3個優(yōu)點。

1)總風量可減少20%-30%，但全部風量都集中在定子的有效段，因此可使定子最高溫度點的溫度降低。

2)通風損耗大大降低，電機的效率明顯提高。

3)檢修維護方便，運行更加安全。

總之，這種通風系統(tǒng)主要是減少風量，降低損耗，使發(fā)電機效率得到提高。

7 水輪發(fā)電機增容改造應注意的事項

水輪發(fā)電機是多學科、多專業(yè)的產(chǎn)品，結構較為復雜。在增容改造時，除定、轉子外，對其它主要部件如支架、軸承、冷卻系統(tǒng)等均需做詳盡分析，最后做出綜合評估。