浅析水轮发电机增容改造

杜 君

(五大连池市山口湖开发建设中心，黑龙江 五大连池 164100)

1 水轮发电机增容改造的途径

水轮发电机增容改造首先取决于水轮机的性能。如果水轮机转轮性能优良，出力裕度大，这就为发电机的增容改造奠定了良好的基础。其次就是发电机本身发挥其应有的潜力，同样可以获得增容改造的良好效果。

如改造定、转子绕组，可减少其铜损，降低绕组温升；改造通风，可以减少通风损耗，这些改造措施都能降低机组的内部损耗，使出力相应提高。

水轮发电机改造的途径是多方面的，要根据被改造发电机的具体情况来决定。

对增容改造而言，最关键的问题是发电机的温度。发电机控制温度，应根据绝缘温度限制值来确定。对B级绝缘为130℃；F级绝缘为155℃。如果以机旁表计的最高指示值做为发电机运行温度的监视值，应考虑此值不是电机运行的最高值。因此需考虑下列因素：

1)电机温度沿轴向和周向(正对冷却器和冷却器之间)的不均匀。

2)上、下层线棒之间的槽间温度与相对应位置处绝缘内的铜温之差。

3)不理想的换位所造成的局部点铜温与表盘指示值之差。

因此，发电机的实际连续运行温度应控制在(机旁表计)：①对B级绝缘≤100℃；②对F级绝缘≤120℃。

另外，电机的绝缘除温度上升促进热老化外，还有电腐蚀老化；环境(包括温度、微生物等)因素而引起的大气老化；电磁、机械引起的机械力、振动的伤害等。更主要的还有不同的制造厂家制造的定子线棒在质量上差别较大，故发电机的实际连续运行控制温度应根据实际情况综合确定。

2 立式水轮发电机热量的产生、导散及发电机的温度和温升

2.1 主要损耗的导散

发电机运行时，将在发电机内产生如下损耗。

1)定子绕组的铜损耗PCU。

2)定子铁芯的铁损耗PFe。

3)励磁绕组的铜损耗Pe。

4)风靡损耗PV。

5)轴承损耗Pd。

以上这些损耗除Pd之外，其它损耗均由电机的冷却系统传出。对空冷发电机大体分配如下：定子铜损占总损耗的20%-25%；铁损占总损耗的20%-24%；励磁损耗占总损耗的18%-22%；风靡损耗占总损耗的30%-40%。这些损耗将转化成热量，由电机内穿过各包围物体，不断向外导出。在沿热量导出的路径上形成了不同的温度。当电机稳定时，发电机发出的热量一定等于散出的热量，沿途各温度值也不变。不论何种发电机，热量的导散都分为3种方式：

1)固体内的热传导(传导)。

2)固体散热表面对空气的放热(辐射)。

3)冷却空气随带热量与水或对周围大气进行热量交换(对流)。

2.2 发电机定子热量导散流程

发电机定子热量导散流程图见图1。

图1 发电机定子热量导散流程图

如图1所示，在热量导散的路径上，各包围物体的分界面上的温度为：tCU;tFe;tC;t1;t2;t3;t4形成个物体内的温度降。

tCU-tFe=△Ti为绝缘温降；

tFe-tC=△TFe为铁芯温降；

tC-t2=△TS为表面温降；

T2-t1=△TV为风温降；

T1-t4=△TK为水温降。

2.3 定子线圈和铁芯的热传导

定子线圈的热量首先穿过绝缘层，再进入铁芯内，然后与定子铁芯的热量一起，传到铁芯散热表面上。这种发生在固体内的热量传动，属于固体的热传导方式，按付立叶方程，绝缘和铁芯的内外表面温降分别为：

(1)

(2)

式中：δi为定子绕组绝缘单边厚度；LFe为定子铁芯平均导热路径长度；λi为定子绕组绝缘的热传导系数；λFe为铁芯的平均导热系数；Si为线棒绝缘的外表面积；SFe为铁芯的外表面积。

当导热量不变时，固体内的热传导，产生在固体内与外表面上的温差，与固体厚度成正比，与材料的导热系数及散热表面积成反比。

2.4 线圈和铁芯表面对空气的散热

线圈和铁芯的热量传到定子散热表面后，由流经定子表面(风沟及内外表面)的空气吸收并带出，冷风变成热风。发生在固体表面与流动的空气之间的热量转移，即为空气的放热过程。固体表面对空气的温降，按牛顿方程为：

(3)

式中：αV为冷却空气的放热系数，主要和空气流速的0.8次方成正比。

热量一定时，表面温降与放热系数、散热表面积成反比。铁芯散热表面积越大，风沟内空气的流速越高，表面温降越小。

2.5 冷却器内外的风温降

热风通过冷却器后，将热量传给水重新变成冷风，热风与冷风的温降：

(4)

式中：CV为空气的热容量；Q0为通过冷却器的风量(电机的总风量)

由上式可知，损耗产生的热量一定，风量越大，风温降越小。

2.6 通过冷却器的风水平均温降

发生在冷却器内的是热风穿过冷却器，将热量传至冷却管，自身变成热风；冷却水流入冷却管内，吸收冷却管传来的热量变成热水，此过程为两种流体的热交换过程。如不考虑冷却器周边的散热，空气放出的热量恒等于水吸收的热量。冷却器内的热交换过程是管外空气和管内水对各自接触表面的放热过程和管壁由外向内传热过程的综合[2]。此时风和水的平均温降。

(5)

式中：KL为冷却器的传热系数；FL为冷却器风侧总表面积。

冷却器的风水温降，在热损耗一定时，与冷却器传热系数KL及风侧散热表面积FL成反比。

2.7 电机的温度和温升

如图(1)所示，电机线圈的温度将等于热路上各点温降之和：

Tcu=ΔTi+ΔFFe+ΔTS+ΔTr+ΔTK+T4

(6)

式中所表达的电机温度组成式，具体有如下2个特点。

1)稳定性：除冷水温度t4外，其余各温降在同一负荷稳定时其数值不变。

2)独立性：电机负荷一定时，改变其中任何一项，其余数值基本不变。

式中的第一项和第二项为电机的结构温升，只和电机的结构、材质及制造工艺有关，要想降低这部分温升，只能在材料、结构方面采取措施。

式中的第三项和第四项为电机的通风温升，只和通风系统有关，降低这部分温升，应从通风系统入手。

前四项之和为电机本体的温升，电机本体温升是考察电机本身质量的重要指示，它和环境无关，电机负荷一定时，其值不变。

式中的第五项和第六项之和为电机的环境温升。

由式中可以看出，降低电机的温度可以降低式中任意一项或几项着手。诊断电机的温度，就是比较式中各项数值与设计值或正常电机相应值的差别，哪一温区段超标，就从哪一段去分析、改造，可事半功倍。

另从6式电机温度的基本关系式，并利用电机实际表盘温度计的指示值，分析电机各段温差，是诊断电机温度过高或需降温的主要矛盾和手段。

电机表盘各指示值与式(2-6)比拟如下：

槽间温度—槽底温度≈绝缘温降ΔTi

槽底温度—热风温度≈铁芯温降ΔTFe+表面温降ΔTs

热风温度—冷风温度≈风温降ΔTv

冷风温度—冷水温度≈冷却器平均风水温降ΔTk。

3 定子绕组更新

定子绕组更新在发电机的改造中是经常发生的，通常在以下几种情况下进行定子绕组更新：

1)机组发生故障(短路、接地)而引起的定子绕组绝缘损坏，无法继续运行，必须进行定子绕组更新。

2)机组长期运行，导致定子绕组绝缘老化，性能急剧下降，并已到了一定的寿命期，绕组需更新。

3)电机容量增加，电负荷增加，原绕组已不能适于增容后新的电磁参数的要求。

无论上述哪一种情况，当了绕组更新时，都会存在发电机增容的空间，其理由是：

过去(20世纪60-70年代)的水轮发电机定子绕组多为A级绝缘，由于A级绝缘的热传导系数较低，仅为0.0016W/cm℃,在绝缘温升允许范围内，发电机的出力必然受到影响。而现在广泛使用的B级、F级桐马-环氧粉云母带，其热导系数为0.002W/cm℃。因此将A级绝缘改换成B级或F级绝缘，在绝缘厚度相同的条件下，就可以使发电机的出力提高10%-15%。在相同的电压等级条件下，采用B级或F级环氧粉云母绝缘，其绕组的绝缘厚度可减薄15%-20%。绝缘厚度的减薄有利于绕组的散热，在原有槽形不变的情况下。就可增加绕组铜线截面积，增加机组的输出功率[3-4]。

4 定子铁芯更新

定子改造时，如改造的机组运行时间(如不超过10a)不是太久，机组运行时定子温度不高，一般定子铁芯可不做更换。

如果定子铁芯长时间过热，就会加速片间绝缘的老化，使用有机漆绝缘的铁芯更容易出现这种情况。这是因为温度过高会使溶剂中的低分子成分挥发，造成漆膜过度干燥，变脆、开裂，最终剥落。由此导致片间短路故障，造成涡流增加，并会使铁芯运行温度逐渐升高，甚至出现局部熔化。

除了改进结构外，从增容方面，可以从以下几点考虑：

1)改变定子槽数，优化电磁方案。发电机增容与定子线负荷AS值有关，当发电机主要尺寸和支路数不变时，AS值又与定子槽数有直接关系。因此优化电磁方案时如有可能适当地增加定子槽数，以此达到发电机增容的目的。

2)选用优质材料，降低发电机铁芯损耗。定子铁芯更换时，可选用高导磁，低损耗的优质硅铜片，以降低发电机铁损耗，提高效率，增加发电机出力。

3)优化定子铁芯设计，改善通风，冷却条件。近年来的研究成果表明，定子通风沟高度和铁芯厚度对铁芯部分的冷却尤为重要。据理论分析和实践证明，一个10mm高通风沟内的空气，两边各有3mm宽的一层与铁芯壁接触，进行有效的热交换冷却定子铁芯，而其余的4mm宽的中间带对铁芯的冷却影响很小。因此，改造和更换定子铁芯时，适当减小通风沟高度(可改为6mm),同时在保证定子铁芯总长不变的情况下，适当减薄定子铁芯段的厚度，可以大大改善定子铁芯的冷却条件，为发电机的增容提供了保证。

5 转子部分更新

根据国内外水轮发电机增容改造的经验，发电机增容10-15%时，一般转子部件可不做变动。但转子电流和电压将有所增加，故增容时会受到转子温升的限制，在这种情况下要对转子部件进行相应地改造。

1)改变功率因数。在条件允许的情况下，适当提高发电机的功率因数，使其转子电流不超过允许值，以有效地将转子温升控制在规定的范围内，而使发电机出力增加。

2)转子线圈更新。转子线圈与定子线圈不同，散热条件也不一样。

图2 转子线圈断面图

由图2可见，转子线圈被厚厚的极身绝缘所包围，几乎不能向极身传热，匝与匝之间热密度相等，也没有热量传递，唯一能传热的就是线圈的侧表面。按图2热流方向成一维传热方式传热，转子温升表达式为：

(7)

式中：b为转子线圈铜线宽；Se为转子线圈铜线的侧表面；λcu为铜的平均导热系数；αe为表面散热系数；Qe为直接吹拂转子磁极线圈的风量

(8)

由此可见，转子的温升，主要取决于线圈的损耗Pe和吹拂线圈的风速大小及侧表面面积。

线圈的损耗主要是直流电阴损耗：

Pe=IeRe

(9)

式中：设转子线圈铜线厚度为d；宽度为b；匝数为n；每匝长度为Ln；极身高度为He；于是转子线圈铜线断面积为bd；散热表面积Se=nLnd=HeLn

故式(5-1)以安匝数计算，转子温升为：

(10)

若以电流密度je计算，则有：

(11)

由式(5-3)、(5-4)的反映，可得出转子线圈更新的4个结论：

1)关于加匝，加匝后若能使铜线总有效高度增加，转子温升将有明显降低，否则不起作用。

2)关于转子线圈铜线加宽，若保持安匝数不变，可使温升稍有降低；若保持电流密度不变，加宽后不但不能降低温度，可能还会使温升增加。

3)不论以什么为基准计算，采用七边形铜线或增加散热匝，增大表面散热面积，是最有效的降温办法。

4)增大对转子线圈表面冷风的吹拂，也是降低转子温升的有效办法。

6 通风系统改造

6.1 通风系统

通风系统的重要性，已逐渐为人们所认识，主要在于以下5点：

1)通风系统是把电机运行时产生的热量由内部散到外部的桥梁。

2)在电机运行的温度组成中，风系统对温升的作用(流体的对流作用)，约占全部的30%以上。

3)风系统自身的损耗，约占发电机总损耗的30%.

4)通风系统的结构，直接影响电机的检修、维护和安装运行。

5)20世纪70年代制造的水轮发电机的通风系统相对落后，采用先进的方法进行改造，潜力很大。

6.2 密闭自循环系统

图3 密闭自循环双路径向通风系统

此种通风系统(图3)风量利用率不高且通风损耗过大。实测表明大约有30%-40%的风量是流经上、下端部，而定子槽正是发电机最热的部分，其损耗约占定子损耗的90%，而冷却槽部的风量却只有总风量的70%。故此通风系统需改进、提升。

6.3 双路径向无风扇通风系统

图4 双路径向无风扇端部回风通风系统

近年来，在大中型水轮发电机上都采用了双路径向无风扇端部回风通风系统(图4)，这种通风系统与密闭自循环双路径向通风(图3)系统比较，有以下3个优点。

1)总风量可减少20%-30%，但全部风量都集中在定子的有效段，因此可使定子最高温度点的温度降低。

2)通风损耗大大降低，电机的效率明显提高。

3)检修维护方便，运行更加安全。

总之，这种通风系统主要是减少风量，降低损耗，使发电机效率得到提高。

7 水轮发电机增容改造应注意的事项

水轮发电机是多学科、多专业的产品，结构较为复杂。在增容改造时，除定、转子外，对其它主要部件如支架、轴承、冷却系统等均需做详尽分析，最后做出综合评估。