皮托管通风试验在发电机故障排查中的应用

周其彬

（四川华能涪江水电有限责任公司，四川 成都610041）

1 概述

自一里水电站地处四川省涪江上游最大一级支流火溪河上，是火溪河梯级电站的第二级，电站正常蓄水位2 034.00 m，额定水头445 m，装机容量2×65MW，机组为立轴混流式结构，由原克瓦纳（杭州）发电设备有限公司成套供货，机组转速600 r/min，为一中型水电站。两台机组分别于2004年12月和2005年4月投入商业运行。

自一里水电站发电机共安装有8组空气冷却器，发电机定子绕组156槽，定子铁心46叠。发电机冷却设计采用密封自循环双路径轴向通风方式，按理想设计，发电机的通风循环方式为：转子两端装有螺桨式风扇，风压由螺桨式风扇产生，从空气冷却器出来的冷却气流分别通过机坑和上、下机架进入发电机内部，冷却定、转子绕组和铁心，变成热风后，由机座进入到空气冷却器，经过冷却后又重新进入发电机，如此形成周而复始的循环，把发电机在运行中产生的热量带走。发电机空气冷却器冷却水进水温度不超25℃，设计的发电机密闭通风循环方式如图1所示。

2 发电机铁心过热情况

自一里电站水轮发电机出厂时，未在定子铁心端部装设测温电阻，而在铁心中部安装了12只测温电阻。机组满负荷65 MW运行时，监视定子铁心温度一般在60～70℃，让大家误认为发电机通风散热良好。但在1号机组A修期间，发现定子上下端部各有两叠铁心出现过热发黑情况。为查找过热发黑原因，监测定子铁心温度是最直接的方法。

图1 设计发电机风路循环图

我们在定子铁心上下两端部内侧1～2叠、45～46叠之间互成120°埋设6只Φ5.5×25 mm PT100测温电阻。通过运行65 MW额定负荷2 h观察，发现铁心上端最高温度达131℃，铁心下端最高温度达178℃。该机组定、转子均为F级绝缘，绝缘耐热温度155℃，定子铁心运行中允许温升为75 K，以环境温度25℃考虑，定子铁心运行温度不宜超过100℃，而铁心端部实际运行温度已远远超过了安全值，试验证明温度过高是引起定子铁心端部过热发黑的直接原因。为防止铁心温度过高加快绝缘老化而引起铁心短路，我们采取了限负荷运行，通过试验最终限定机组在40 MW可连续运行。

为了进一步搞清楚发电机定子铁心整体温度分布情况，在铁心外侧+Y方向自上而下埋设了8只Φ5.5×25 mm PT100测温电阻，用以监测铁心纵向各叠实际运行温度。通过连续运行40 MW负荷观察，发现铁心纵向温度分布不均，呈现上下两端高，中间低的情况，（图2、图3）。通过查阅大量关于发电机定子铁心温度高的案例及文献，发现发电机定子铁心温度高的原因，在排除定子铁心短路故障后，大部分是由于通风散热不良引起。为此，现场对定子通风系统进行了实测，以便掌握实际风场分布，与设计进行比较，查找定子铁心过热是否由通风散热不良引起。

图2 铁心外侧探头埋设位置图

3 传统通风试验

首次通风试验，我们采用传统的手持式5725型风量测速仪进行测量。测量内容包括：发电机总风量、上下风道风量和发电机定子铁心纵向通风沟风速。从测试情况看，设计总风量48 m3/s，实际测总风量为74.78 m3/s，实测总风量远远大于设计总风量。其中，上端部进风量41.42 m3/s，下端部进风量39.31 m3/s，且上下进风道风速较紊乱，数据值仅供参考。

图3 有功40 MW铁心纵向温度分布

根据实测总风量看，定子铁心冷却效果应该非常良好。为进一步分析定子铁心纵向通风沟风量分布情况，现场取下7号空冷器，实测了定子铁心纵向46叠通风沟风速，通风检测结果见表1。通过对风沟风速测量数据分析发现，整个铁心纵向风沟通风分布不均匀且数据跳变，规律性不强，如风沟10～12、25～27、37～39、40～42 都出现数据异常变化情况，与相邻风沟风速比较偏差过大。另外，实测数据显示，铁心整体风量分布呈现两端风速大，中间风速小，与发电机铁心温度两端高中间低现状不吻合。现场实测过程中也发现由于7号空冷器未装，此处风阻最小，在用风速仪测量通风沟风速时，相邻两侧出风风速较高且紊乱，是影响测量数据不准和突变的主要原因。其相关测量数据对分析定子铁心风场实际分布和过热参考意义不大。

表1 风速仪检测定子铁心风沟风速结果

4 皮托管通风试验

对于发电机风场分布较复杂的环境，由于有些部位风场紊乱，采用风速仪测量的数据与实际情况偏差过大，特别是铁心背部通风沟风速检测。为了较为准确的掌握定子铁心纵向风场分布情况，查找铁心发热的真正原因，现场采用目前比较权威的通风试验检测方案，皮托管配套微压计检测法。皮托管，又名“风速管”，是测量气流总压和静压以确定气流速度的一种管状装置。用皮托管测风速和确定流量，有可靠的理论根据，使用方便、准确，且受干扰小，是一种经典广泛的测量方法，如飞机测量相对空气的飞行速度，隧道、矿井通风等气流速度。

4.1 试验方法

自一里电站发电机定子铁心通风沟宽度为8 mm，现场试验配置了直径6 mm的不锈钢皮托管。皮托管安装插入通风沟100 mm，管口正对定子圆心方向，尽量保持正对迎风面，减小测量误差，皮托管尾部应焊接钢筋支架，用于绑扎固定，防止皮托管移位。

为保证检测数据与实际运行工况一致，所有测量设备尽量放置在空冷器外侧，减小测量设备风阻的影响。现场将皮托管安装在空冷器内侧，微压计等测量元件全部安装在外侧，然后将空冷器回装。通过塑料软管将皮托管与外侧微压计相连，检测通风沟风压，再通过软件计算出实时风速，具体安装布置如图4所示。

4.2 试验结果及结论

为检测发电机铁心纵向风场分布，现场根据实际工况，在铁心纵向通风沟安装20支皮托管。铁心下端1～6叠、上端41～46叠为重点检测部位，每叠通风沟安装一只皮托管。7～40叠铁心通风沟为间隔安装，检测风场分布趋势，实际检测结果见表2。

表2 皮托管检测定子铁心风沟风速结果

根据试验数据分析，发现1号发电机定子铁心通风沟上下端部风速小，中部风速大。中部通风沟最大风速达到20.81 m/s，下端通风沟风速最小为2.58 m/s，上端通风沟最小风速为4.08 m/s，铁心纵向通风沟最大风速差达到了8倍。其风场分布极不合理，造成定子铁心中部冷却散热效果好，上下端部冷却散热效果差的情况，与发电机定子铁心实际运行温度表现一致。

公司同时委托哈动国家水力发电设备工程技术研究中心，对自一里电站机组铁心过热情况进行分析研究。通过发电机通风模拟计算，发现其机组通风结构设计不合理，风场分布呈中间大两端小的情况，其结论为通风冷却不良是导致定子铁心过热的主要原因。与现场采用皮托管试验法检测通风数据趋势一致，故障原因得到有效验证。

5 结语

通过皮托管通风试验在自一里水电站发电机故障排查中的实际运用，其检测出的数据与发电机实际风场分布一致，试验数据真实可信，为发电机定子铁心端部过热故障原因分析和后期定子技改提供了有力的数据支撑。本文介绍的试验方法适用于风场分布较为复杂的环境部位，其方法受干扰小且较常规风速仪检测法更准确可靠，对需要实际验证水轮发电机通风系统风场分布和故障排查具有一定的参考意义。