水轮发电机磁极线圈温升偏高分析

明 野

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150040)

0 引言

新安江水电站从1999 年开始先后对9 台机组进行了增容改造，原机组额定功率72.5MW，额定功率因数0.85。发电机增容改造后，额定功率90 MW，额定功率因数0.9，机组冷却方式采用密闭、自循环空气冷却方式。

增容改造后，发电机转子磁极线圈普遍存在温升偏高的现象，温升一般在100K 左右。虽然进行了多次通风结构的完善，但仍然得不到根本的解决。磁极分解检查发现，磁极线圈内侧R 处的绝缘有明显过热痕迹，且背风面更为严重，发现线圈R 处有毛刺，绝缘层在加工时就已受到损害。以下针对可能造成水轮发电机磁极线圈温升偏高的原因进行分析，找出造成磁极线圈温升偏高的主要原因，并给出论证方案。

1 磁极线圈温升偏高原因分析

针对新安江水电站机组运行情况及机组的改造情况进行分析，造成水轮发电机磁极线圈温升偏高的主要原因有:发电机通风结构不合理，风量无法满足要求;发电机转子磁极自身结构所致，造成磁极自身产生的热量无法有效散发，导致温升偏高。

1.1 对发电机的原通风结构进行分析计算

新安江水轮发电机采用双路径向无风扇端部回风通风结构，冷却空气由转子支架、磁轭、磁极旋转产生的风扇作用进入转子支架入口，流经风隙、磁极极间、气隙、定子径向风沟，冷却气体携带发电机损耗热经定子铁心背部汇集到冷却器与冷却水热交换散去热量后，重新分上、下两路流经定子线圈端部进入转子支架，构成密闭自循环通风系统。上、下端部均采用端部回风的方式冷却。

(1)转子支架

转子支架入口是冷却风量的主要过流通道，其结构尺寸的选取应在满足转子风扇作用的前提下以减小压头损失为主，避免不必要的通风损耗。该水轮发电机转子支架采用组合式转子支架结构，支臂外圆侧通过挡风板形成通风风路，以提高通风压头。选定的结构尺寸为:支臂个数为8 个;支臂外圆储挡风板内径为φ4 900mm;支架进风口轴侧至中心最小距离为1 520mm;转子支架每个通风孔的面积为0.71m2。

(2)磁轭通风道

磁轭部分是冷却风量的过流通道的咽喉，磁轭部分采用通风沟及通风隙结构。磁轭通风沟选择的好坏直接影响风量的均匀分配及冷却效果，该磁轭通风沟高35mm，通风沟数量为6 个，风沟入口宽度为250mm，出口宽度为100mm。磁轭风隙也是转子磁轭过流通道的重要组成部分，磁轭风隙选择的好坏也影响风量的均匀分配及冷却效果，该磁轭风隙入口宽为140mm，出口宽为90mm。转子安装了40 个磁极，磁极固定在磁轭上，每片磁轭冲片上安装4 个磁极，磁轭冲片厚度3mm，采用1 片一叠、串整极的叠片方式。

(3)定子径向风沟

定子径向风沟数量为43 个，通风沟高度为6mm。

(4)挡风板位置

在气隙、轴向一些缝隙处，存在漏风现象，为了提高有效风量，降低通风损耗，提高电机的效率，需对各漏风处采取有效措施。机组采用旋转挡风板结构，旋转挡风板与定子风罩之间的间隙不大于12mm，旋转挡风板与磁轭之间的间隙不大于8mm。

按原机组通风结构进行分析计算，通风计算结果如下:电机通风损耗约为243kW，电机总损耗为1386.1kW，温 升 按 28K 计 算，所 需 风 量为45m3/s，根据电机结构尺寸计算得设计总风量为42.85m3/s，设计结构产生的风量略低于电机通风要求。

1.2 发电机磁极结构分析

(1)出厂时磁极线圈采用七边形铜排结构。改造后，部分水轮发电机磁极线圈为F 级绝缘，由29 匝62×8mm矩形裸扁铜线绕制而成，为满足散热面积要求，一般会带有散热匝。新安江水电站磁极线圈改造后既没有散热匝，也没有散热翅，线圈自身散热面积较小，不利于磁极线圈散热，是引起转子温升过高的主要原因。

(2)矩形铜排绕制的磁极线圈，在绕制过程中，线圈的四个角是圆弧绕出的，内圆凸起，外圆减薄，所以线圈四个角的R 处温升较高，是引起转子温升过高的原因之一。

(3)磁极线圈的线规选择不合理，造成磁极线圈温升偏高。按机组额定工况运转，对机组的励磁绕组的电流密度进行计算，电密小于2.5A/mm2，不会造成机组励磁绕组明显的温升偏高，此项不是造成磁极线圈温升偏高的主要原因。

1.3 分析结论

按以上机组的通风结构形式及磁极自身结构两方面进行分析，给出如下结论。

(1)机组原通风结构按热风温升28K 计算，风量略有不足。但按此风量运行，可能会造成热风温升略高，热风的温升可能达到30K，同时发电机定子的温升并不高，说明整个机组的通风冷却系统没有问题，不至于造成磁极线圈温升达到100K 左右。

(2)磁极线圈采用矩形铜排结构，并没有散热匝，散热面积不足，无法将发电机正常运转过程中磁极产生的热量充分散发，让冷空气带走，这是造成磁极温升偏高的主要原因。

2 处理方案

针对以上机组通风结构和磁极线圈结构两个方面给出处理方案。

(1)通风结构

原机组通风结构可能造成热风温度略高，但定子部分温升均在合理的温升范围内，说明空气冷却器的冷却效果比较理想，不会影响机组的通风冷却，通风冷却结构可不进行改造。

(2)磁极结构

对原机组磁极线圈进行改造，改为带散热翅结构的铜排，并采用四角焊接结构。按散热面积计算，带散热翅结构的磁极线圈散热面积是矩形铜排结构的1.8 倍左右，能够有效地将磁极的热量带走。磁极线圈采用四角焊接结构，此种制造方法不会出现绕制线圈R 处的铜排截面积不规则的情况。同时，四角焊接结构的磁极线圈外形尺寸比绕制的磁极线圈外形尺寸更精确，使得通风风路更顺畅，更有利于降低转子绕组的温升。

3 处理方案论证

按改造后的磁极线圈的结构型式，并按原通风结构进行三维温度场分析计算，核算此改造方案是否可行。发电机空气冷却器出风温度按40℃计算，通过三维温度场分析计算，得到了磁极线圈温度分布云图。计算结果显示磁极线圈最高温度为104.3℃，平均温度为101.1℃。磁极线圈最高温升64.3K，满足规范要求值85K，此改造方案可行。

4 结语

新安江水电站改造后，部分水轮发电机组的磁极线圈温升偏高，主要原因在于矩形铜排的磁极线圈并没有设置散热匝，机组运行过程中磁极线圈产生的热量无法完全被冷风带走，热量大部分都残留在磁极线圈的铜排上，造成磁极线圈温升偏高。为保证机组磁极线圈的温升在合理的范围内，机组的磁极线圈需要进行改造，采用带有散热翅结构的铜排，有效保证在机组运行时，磁极线圈的温升在规范要求的范围内。