基于量热法的大型水轮发电机损耗测量和效率计算

闫迎，郝剑波

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

某航电枢纽电站位于嘉峪江流域下游河段，是一个以航运为主兼顾发电的水资源综合利用工程，总装机容量4×125 MW。为全面衡量机组的性能指标，确定发电机是否符合设计标准，需要在运行现场对发电机进行效率测试。

发电机的效率计算公式可表示为:

式中 η为发电机效率(%);P为发电机输出功率(kW);PΣ为发电机总损耗(kW)。

由式 (1)可知，若要确定发电机效率，必须准确测量发电机的输出功率及总损耗。发电机的输出功率非常容易测量，但是发电机的总损耗测量比较复杂，工程中大多借助经验公式对其进行估算，精度难以保证〔1〕，因此需要采用新的方法解决此类问题。文献〔2〕介绍了一种利用量热的方法测量发电机的总损耗和效率的方法，但该方法未对发电机内部铁芯、绕组等部位的损耗测试方法进行说明。因此，文章在利用量热法对机组总损耗进行测量的同时，借助发电机特定的运行工况对发电机内部各项损耗进行分解计算，并对量热法得到的结果进行验证。

1 量热法测量总损耗的原理和方法

发电机在运行时，内部产生的各类损耗最终都将变成热量，以“热”的形式传给冷却介质，使冷却介质温度上升，因此可以通过测量发电机所产生的热量来推算电机的总损耗，继而得到发电机的效率。

1.1 发电机损耗确定

为测定发电机的总损耗，需要给发电机选定一个将其包在内部的基准表面，以保证其内部的所有损耗都通过该表面散发出去，常选发电机的机壳作为基准面。因此，电机总损耗PΣ可由机壳内部损耗Pi和机壳外部损耗Po组成。前者主要由发电机铁芯和线棒等部件产生，后者主要由电机外部辅助设备产生。Pi由2部分组成，包含热量的形式由电机冷却介质带走的损耗和以热传导、对流、辐射、散失的形式穿过机壳到达外部的损耗;Po主要包括轴承摩擦损耗、碳刷电损耗、励磁装置损耗。

1.2 发电机损耗计算

1)冷却介质带走的损耗

式中 P为冷却介质带走的损耗(kW);CP为冷却介质的比热(kJ/kg·K);Q为冷却介质的流量(m3/s);ρ为冷却介质的密度(kg/m3);Δt为冷却介质的温升(K)。

2)对流和辐射带走的损耗

因为电机表面向周围环境辐射的损耗数量很小，可忽略不计。测量时，可以只考虑电机外表面与周围环境对流散出的损耗，其公式为:式中 P为电机外表面散出的损耗(kW);A为散热表面积(m2);Δt为电机外表与环境温度之差(K);h为表面散热系数。

3)碳刷电损耗

式中 P为碳刷电损耗(kW);Δu为碳刷压降(V);if为励磁电流(A)。

4)励磁装置损耗

式中 P为励磁装置损耗(kW)，对自并励励磁系统，该部分损耗主要包括励磁变损耗、整流硅损耗、分流器损耗等;Ph为励磁装置输入功率(kW);Pl为励磁装置输出功率(kW)。

2 机壳内部各项损耗的分解及计算

2.1 机壳内部损耗分解

发电机运行时机壳内部损耗按性质不同可以分解为以下几部分:

1)风摩损耗Pw

式中 Pfe1为定子电压为U1时的铁损(kW);Pfe2为定子电压为U2时的铁损(kW)。

3)定子铜耗Pcua

定子绕组中的铜耗可表示为:

式中 Pcua为定子铜耗(kW);I为定子电流(A);Ra为基准工作温度下定子绕组的直流电阻(Ω)，对于A，E，B级绝缘等级的绕组，基准温度为75℃，对于F，H级绝缘等级的绕组，基准温度为115℃。

4)转子铜耗Pcuf

转子铜耗可表示为:

式中 Pcuf为转子绕组铜耗(kW);I为转子电流(A);Rf为基准工作温度下转子绕组的直流电阻(Ω)。

5)负载杂散损耗Ps

发电机的负载杂散损耗包括2部分，即负载在除铁芯和导线之外的金属件中引起的损耗和定子绕组中的涡流损耗。负载杂散损耗与定子铜损之和按定子电流的平方变化。不同电流下的定子铜损和杂散损耗存在以下关系:

在机组内部，风摩损耗Pw主要由通风损耗和空气摩擦损耗2部分组成，该损耗大小与机组负荷无关，在机组保持同步速的前提下，可以近似为常值。

2)铁耗Pfe

铁耗Pfe主要包括磁路中的铁耗以及其它金属构件中的空载杂散损耗，它不随机组负荷的变化而变化，大小与机组定子电压有关。不同定子电压下的铁耗存在以下关系:

式中 PN(cua+s)为额定电流IN时的定子铜损及负载杂散损耗之和(kW);Pg(cua+s)为任意电流Ig时的定子铜损及负载杂散损耗之和(kW);PNcua为额定电流IN时的定子铜损(kW);PNs为额定电流IN时的负载杂散损耗(kW)。

上述各项机组内部损耗中，风摩损耗Pw和铁耗Pfe不随发电机负载的变化而变化，剩余几项为可变损耗，具体大小与机组负荷有关。

2.2 机壳内部损耗计算

由以上分析可知，通过选择特定的发电机运行工况，利用量热的方法可以测量相应工况下的机壳内部总损耗的大小，并借助机组运行时的电压、电流等参数，可以实现对机壳内部各项损耗的分解计算。以下选取3种运行工况进行测量:

1)发电机空转运行。用于测定发电机的风摩损耗Pw，此时:

2)发电机空载运行。用于测定定子铁耗Pfe，此时:

3)发电机短路运行。用于测定负载杂散损耗Ps，此时:

3 发电机损耗及效率实例计算

为了全面衡量被试机组的性能指标，需要测试发电机在额定电压、额定功率因数以及分别在70%，80%，90%，100%额定负载下的效率和各项损耗数值。

被试发电机的相关参数为:额定容量142.9 MVA;额定功率因数0.875;额定电压15750 V;额定电流5238 A;励磁电压340 V;励磁电流1518 A;绝缘等级F/F;冷却方式为铁芯采用密封自循环全空气冷却，同时使用水对空气进行降温，轴承部分使用油冷却，对油则使用水进行冷却。

3.1 试验参数测量

试验时要求机组调至要求的负荷下，维持此工况稳定运行，待发电机各部分温升稳定后，测取发电机的各个参量。整个过程中需要测取的参量有:

1)电气参数。主要有发电机有功功率、无功功率、功率因数、励磁电压、励磁电流、定子电压、定子电流、励磁装置的输入、输出电压和电流。

2)温度参数。发电机空气冷却器进出水温度、轴承冷却器进出水温度、定子绕组温度、铁芯温度、机壳表面温度，周围环境温度。水温可通过高精度热电偶测取，绕组及铁芯温度可通过机组预埋的检温计测取，机壳表面及环境温度可通过酒精温度计测取。

3)流量参数。主要是发电机空气冷却器进出水流量、轴承冷却器进出水流量。为了确保测量流量准确，每根管道均在平直段取多次测量平均值作为最终流量结果。

3.2 特定工况下总损耗和各项损耗的确定

试验前利用空转、空载、短路3种特殊的运行工况，使用量热和损耗分解计算的方法，测量得到机组内部总损耗和各分项损耗的大小，结果见表1。2种方法得到的机组内部损耗分别为1 187.58 kW和1 162.26 kW，误差约为2.13%。可见，通过量热法求出的电机内部损耗和理论计算有着很好的一致性，印证了2种方法的正确性。

表1 不同试验工况下发电机内部总损耗和各项损耗的确定

3.3 特定负载条件下机组效率的计算

根据现场要求，需要确定发电机在额定电压、额定功率因数，分别输出 70%，80%，90%，100%额定功率时机组各部分的损耗和效率数值，利用前面方法，测算结果见表2。

从表2可以看出，该机组在各个测试工况下的运行效率都达到了设计要求，还可看出损耗主要集中在定转子绕组和铁芯部分，该些部分的损耗比重超过了60%以上，成为影响机组效率的主要因素。

表2 不同运行工况下发电机效率测算

4 影响因素和误差分析

1)在机组的各类冷却方式中，空气冷却器散走的损耗最多，占总损耗的80%以上，因此，这部分冷却水的流量、温度、比热、密度等数值的准确度和精度直接影响到最终计算结果，必须采取有效措施保证该些参数的测量精度。

2)由于机组发热部位的不均匀，导致机组表面温度不一致;受机组周围外部设备散热的影响，周围环境温度有高有低。这些因素影响了机组对流、辐射损耗的测量精度，为此可通过多次、多时、多部位测量机组或环境的温度，取其平均值，以降低测试误差。

3)在对机组内部损耗进行分解计算时，未考虑铁芯饱和对铁芯损耗的影响，同时由于定子谐波电流的存在，产生的谐波磁场在转子上产生的损耗同样未得到考虑。但在用量热法测得的总损耗囊括了机组所有的能量损耗，不存在此类问题。

5 结束语

通过对某大型水轮发电机进行效率试验，介绍了使用量热法计算发电机损耗和效率的实施过程，并简单分析了影响测量结果的可能因素。实例显示，量热法的测试结果准确可靠，过程操作简单，可供今后同类发电机效率试验借鉴。

〔1〕李法海，朱东起.电机学〔M〕.北京:科技出版社.2001.

〔2〕中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会.GB/T 5321—2005量热法测定电机的损耗和效率〔S〕.北京:中国标准出版社，2005.

〔3〕李建明，朱康.高压电气设备试验方法〔M〕.北京:中国电力出版社.2001.

〔4〕白延年.水轮发电机设计与计算〔M〕.北京:机械工业出版社.1982.