大功率防爆高速同步电机无刷励磁机冷却系统改进

蒲 斌 石耕睿 杨福超 蒋 森

国家管网集团西部管道公司, 新疆 乌鲁木齐 830013

0 前言

长输管道天然气压缩机按驱动方式分为燃驱压缩机和电驱压缩机[1-2],近年来随着供电网络的发展及电驱压缩机组(以下简称电驱机组)抗晃电性能的提升[3-4],电驱机组具备效率高、运维成本低、可靠性高的特点[5-7],长输管道国产大功率防爆高速同步电机(以下简称国产同步电机)的应用日渐广泛[7]。2012年国产20 MW级电驱离心压缩机组在西气东输管道高陵压气站开始工业化运行,之后国产同步电机开始逐渐应用,不断发展壮大[8-9]。

国家管网集团西部管道公司(以下简称西部管道公司)在日常运行中对所辖范围内17台国产同步电机的无刷励磁机(以下简称励磁机)旋转整流二极管(以下简称二极管)进行测试统计,大量二极管性能下降,多台某13 MW国产同步电机运行过程中励磁机中的二极管失效,造成电驱机组不能运行。对失效二极管进行拆解发现元件表面表现出明显的铝迁移现象,铝金属的电迁移服从Black公式[10-12],排除产品质量因素外,可知是由于二极管工作环境温度高降低了其平均使用寿命,最终导致二极管失效。

经过对某13 MW国产同步电机励磁机现场运行温度的跟踪测量可知,其旋转整流盘外罩处运行温度达到了110 ℃,旋转整流盘运行环境温度高，缩短了二极管的使用寿命。长输管道电驱机组的使用环境按照危险区域划分为2区,按照GB/T 3836.1—2021《爆炸性环境设备通用要求》(以下简称GB/T 3836.1—2021)规定,同步电机的防爆温度等级为T4,最高表面温度为135 ℃。某13 MW同步电机励磁机运行时表面温度达到110 ℃,距离T4最高表面温度差值为25 ℃,安全裕度较小。该励磁机厂家规定励磁机转子温升为小于等于90 K,结合路义萍等人[13]的仿真结果,估算现场励磁机转子绝缘处最高温升超过了90 K,内部温升较高。

西部管道公司某13 MW国产同步电机现场应用3台,其励磁机的运行温度与其他厂家同步电机励磁机的运行温度相比,存在励磁机运行温度高的问题。目前，关于励磁机冷却方面的理论研究处于对实际运行温度进行建模的阶段,尚不能指导设计应用。因此,为延长励磁机二极管使用寿命,提升国产同步电机运行可靠性,深入分析西气东输二线轮吐支线某13 MW国产同步电机励磁机运行温度高的原因,提出了切实可行的改进措施并进行了现场应用,对改进措施的应用效果进行了分析,以期对国产同步电机励磁机冷却系统的设计提供参考。

1 励磁机冷却结构及运行情况

同步电机分为主电机和励磁机两部分,励磁机发出一定励磁电流经旋转整流盘整流后提供给主电机转子。某厂家引进某国外厂家励磁机原型后,经过二次开发和优化[14-16],用于西气东输二线轮吐支线和西气东输三线。该同步电机冷却系统空气流通路径见图1。

图1 同步电机冷却系统空气流通路径示意图Fig.1 Schematic diagram of air flow path of synchronous motor cooling system

由图1可见，主电机定子上安装的轴流式风扇随主电机运行,使主电机内空气流通对主电机转子、定子进行冷却,空气经空水冷却器冷却后再次进入主电机转子形成主电机系统的空气循环,同时一部分冷却后的空气流向励磁机,对励磁机冷却后回流至主电机转子,形成励磁机系统的空气循环,从而对主电机及励磁机进行冷却。

励磁机冷却通风示意图见图2。经主电机换热器冷却后的冷却空气进入励磁机后,一部分冷却空气对励磁机转子和定子进行冷却,然后进入励磁机出风风道。一部分冷却空气通过励磁机机座和外罩之间的空间后对旋转整流盘进行冷却,然后经过励磁机定子进入励磁机出风风道,励磁机正压通风补充的空气分别经励磁机两端进入励磁机出风风道,最终励磁机出风风道内空气流回主电机。

图2 励磁机冷却通风示意图Fig.2 Schematic diagram of exciter cooling and ventilation

由于励磁机旋转整流盘在励磁机机座内部,无法直接测量其实际运行的环境温度,路义萍等人[13]通过仿真得出了研究型号的励磁机旋转整流盘处环境温度,虽然存在偏差,仍可以运用其仿真结果对旋转整流盘处的环境温度进行估算。测量可知,本文研究的某13 MW国产同步电机励磁机在某压气站压缩机运行过程中整流盘外侧外罩温度达到了110 ℃,结合路义萍等人[13]的仿真结果,分析可知旋转整流盘处环境温度达到了124 ℃,故高温运行缩短了二极管的使用寿命,降低了其可靠性,最终导致二极管运行短时间内失效。

2 励磁机运行温度高的原因分析

2.1 励磁机冷却风量小

励磁机剖面结构见图3。图3中“A-A”为励磁机旋转整流盘侧结构,定子挡板与定子绕组紧密接触,对旋转整流盘冷却后的空气可以通过定子、转子间的气隙,或者通过转子引线与转子支架间的空隙后对励磁机转子和定子进行冷却,然后至出风风道；“B-B”为励磁机轴承侧方向的定子、转子结构,转子空气槽间隙较大。冷却旋转整流盘的空气存在以下问题:1)冷却旋转整流盘的空气流经的路线较长,冷却空气需要经过整个励磁机外罩后再次流入机座冷却,流经的路线长度数倍于直接对励磁机转子和定子进行冷却的路线长度;2)冷却旋转整流盘的空气风阻较大,冷却空气至励磁机出风风道的截面积较小。

图3 励磁机剖面结构示意图Fig.3 Schematic diagram of exciter section structure

冷却空气路线长、流通风阻较大造成对旋转整流器冷却的空气风量较小,旋转整流盘冷却效果不佳。

2.2 励磁机冷却空气存在泄漏

励磁机运行热成像温度观测见图4。由图4可以看出,励磁机进风风道两端温度较稳定,温差较小,而励磁机出风风道两端温差较明显,对图1励磁机进出风风道两端温度进行测量,结果见表1、图5。进风风道两端的温差远远小于出风风道两端的温差,原因有:1)励磁机出风温度高于励磁机进风温度,出风温度与环境温度的温差大于进风温度与环境温度的温差,热辐射交换较好;2)出风风道温度与进风风道温度差值越大时,出风风道两端温差越大,说明出风风量较小,远小于进风风量,因此出风风道两端温差受环境温度的影响远大于进风风道两端温差受环境温度的影响。

出风风道的风量小于进风风道的风量,表明励磁机运行过程中外罩与环境之间存在冷却空气的泄漏,风道不畅使进风易向外泄漏而不是通过冷却旋转整流盘流至出风风道再流至主电机。

图4 励磁机运行热成像温度图Fig.4 Thermal imaging temperature diagram of exciter operation

表1 励磁机进出风风道两端温度变化情况表Tab.1 Exciter inlet and outlet air temperature change

图5 励磁机运行时温度变化趋势图Fig.5 Temperature change trend during exciter operation

2.3 旋转电机空水冷却器效率低

IEC 60034-1:2017《旋转电机 定额和性能》(以下简称IEC 60034-1)、GB/T 755—2019《旋转电机 定额和性能》(以下简称GB/T 755)以及各大功率高速同步电机厂家对同步电机冷却水、冷却空气温度要求见表2。

表2 旋转电机冷却水及冷却空气温度要求表Tab.2 Rotating motor cooling water and cooling air temperature requirements

结合中国自然环境,GB/T 755增加了额外说明,如有需要,冷却水温度应不高于33 ℃,可见其对冷却水温度的要求在特殊情况下相较IEC 60034-1中的相关要求进行了放宽,但是这两个标准对冷却空气温度的要求一致,均为不大于40 ℃。实际运行过程中,某13 MW国产同步电机在冷却水温度小于25 ℃时,高负荷情况下并不能将冷却空气降低到40 ℃,冷却水温度在20 ℃时,高负荷下冷却空气温度仅能下降到42 ℃,当温度较高时,冷却空气温度将明显上升。路义萍[13-15]、张万全[16]、孙维炎[17-18]等人对励磁机仿真时均选用40 ℃冷却空气温度,实际工作冷却空气温度较40 ℃高,降低了励磁机的冷却效果,导致实际运行温度高于仿真温度,实际冷却空气温度也不符合GB/T 755和IEC 60034-1的要求。

2.4 旋转整流盘发热的影响

励磁机旋转整流盘的发热分为摩擦生热以及二极管整流过程中的发热,路义萍[13-15]、张万全[16]、付余[19]等人对励磁机仿真时,均认为励磁机运行时旋转整流盘的发热较小可以忽略,但厂家在设计时如果未考虑二极管发热的影响,会造成励磁机冷却设计风量不足,实际运行过程中不能忽略二极管的发热量。二极管整流过程产生的热量可通过式(1)进行简化计算。

PH=P1+P2+P3

(1)

励磁机旋转整流盘反向电压功耗和漏电流功耗较小,计算时可忽略,该型号国产同步电机正常运行时励磁机整流后电流为250～500 A,以正向压降功耗为主。励磁机旋转整流盘整流回路为3个桥式整流电路并联,1个交流周期输出6个半波,输出电压较稳定,按照输出励磁总电流为400 A进行计算,可以简化为任意时刻2个二极管进行400 A电流输出,1个交流周期为2个二极管输出400 A,旋转整理盘的12个二极管正向压降总功耗即为2个二极管400 A时的正向压降功耗。二极管性能参数见表3。

简化计算12个二极管热损耗功率：

P=V×I×2=1.6×400×2=1 280W

(2)

表3 二极管性能参数表Tab.3 Performance parameters of rotating rectifier diodes

同步电机运行中二极管持续发热对周围空气进行加热,因此需要冷却空气持续对二极管进行冷却,降低环境温度。在实际使用过程中,存在二极管在励磁机空载测试过程中由于冷却不充分而过热失效的问题。

3 励磁机冷却系统改进措施及应用效果

励磁机的梳齿密封不能完全防止冷却空气泄漏,结合前文分析,降低励磁机运行温度可以采取的措施是需要增加励磁机的整体冷却空气量,增加对旋转整流盘处的冷却空气量以改善旋转整流盘的工作环境,降低冷却空气温度。

3.1 励磁机两组风道分析

该型号国产同步电机励磁机设计阶段设计了由励磁机顶部进出风和由励磁机底部进出风两种冷却方式,厂内单独对两组冷却风道进行测试,励磁机底部进出风相较于励磁机顶部进出风冷却效果差,因此出厂后在现场安装过程中,仅使用了励磁机顶部进出风的冷却方式。

文献[15]在文献[13]的基础上,在励磁机机座上增加了机座环板2,以减少励磁机旋转整流盘至机座环板1之间的漩涡,但是并未消除该区域漩涡,励磁机底部冷却空气进风风道在机座环板1与机座环板2之间,励磁机底部冷却空气出风风道在机座环板2与旋转整流盘外侧机座之间,如果使用励磁机底部风道,自然消除了该处的漩涡,有利于旋转整流盘的冷却。由于旋转整流盘侧的励磁机定子挡板、转子引线等结构形成的风阻,仅使用励磁机底部风道会造成励磁机转子、定子的冷却空气量小,冷却效果差。可以利用旋转整流盘侧的励磁机定子挡板、转子引线等结构形成的风阻结构,自然将励磁机顶部和底部两组风道进行隔离,使两组风道可以分别对励磁机两侧进行冷却,调整后冷却空气的路径见图6。

图6 励磁机使用两组风道时通风示意图Fig.6 Schematic diagram of ventilation when the exciter uses two sets of air ducts

由于励磁机存在定子挡板、转子引线等结构,少部分冷却空气流通存在风阻,但是仍可以流经励磁机转子、定子并对其冷却后通过顶部出风风道回流至主电机,大部分冷却空气对旋转整流盘冷却后经过底部风道回流至主电机。保留机座环板2,使励磁机底部进风由励磁机旋转整流器中间流入,提升旋转整流盘的冷却效果。因此正常运行过程中两组风道相互独立,互相影响较小,而通过励磁机底部风道进风的空气流向顶部风道可以解决路义萍等人[13]仿真结果中的靠近整流盘侧转子边段铁心温度高的问题。

因此,可以同时采用励磁机顶部与底部两组风道对励磁机进行冷却,励磁机进出风的风道截面积将各增加1倍,冷却空气流量必然增加,在解决冷却空气旋涡、憋风以及增加空气流量方面的同时改善励磁机的冷却效果。

3.2 两组风道的应用效果

将励磁机底部风道连接至励磁机机座上,同时使用励磁机顶部与底部两组风道后,对励磁机运行温度进行测量,具体统计见表4。励磁机运行中测量的最高转速为4 545 r/min,该同步电机达到额定负荷10.5 MW,此时励磁机进风温度为43.3 ℃,旋转整流盘外侧外罩温度为61.7 ℃,测量的最高温度处是励磁机底部风道在底座上的温度,为68.5 ℃,励磁机各处温度均大幅降低,同时,主电机定子温度无变化。

表4 励磁机运行温度统计表Tab.4 Exciter operating temperature statistics table

根据路义萍等人[13]仿真结果旋转整流盘外侧外罩温度92.2 ℃时,旋转整流盘处环境温度为106 ℃,正常运行时外罩温度达到110 ℃时,旋转整流盘处环境温度估算为124 ℃。在同时启用两组冷却风道后,外罩温度为62 ℃时,旋转整流盘处环境温度估算为76 ℃,旋转整流盘处的温度下降了48 ℃,有效降低了旋转整流盘处的环境温度,可以有效延长二极管的使用寿命。

图7 励磁机采用两组风道运行时热成像温度图Fig.7 Thermal imaging temperature diagram when exciter operates with two sets of air ducts

励磁机旋转整流盘外侧外罩以外的区域中,励磁机外罩的温度下降至55 ℃,有效降低了励磁机整体运行温度,远低于GB/T 3836.1—2021中防爆温度等级T4的温度上限,也明显小于T5的温度上限100 ℃。采用两组冷却风道运行时励磁机热成像结果见图7。与图4采用顶部励磁机风道运行时励磁机热成像结果比较可知:采用两组冷却风道运行时励磁机外罩温度较低且整体温度较均匀,未出现图4中励磁机旋转整流盘处外罩温度明显较轴承侧外罩温度高的情况;励磁机下部电机基础温度上升,励磁机底部风道有空气流通;图4中励磁机外罩温度与环境温度的温差为51.7 ℃,图7中励磁机外罩温度与环境温度的温差为29.3 ℃,采用两组冷却风道运行时外罩温度与环境温差明显减小。

3.3 采用两组风道的影响分析

3.3.1 励磁机冷却空气的变化及原因分析

对励磁机顶部进出风风道两端温度进行测量,结果见图8。采用两组风道时出风风道两端温差由图5的13 ℃下降到6 ℃,进风风道两端温差均值由2 ℃下降为1 ℃,略有下降,表明励磁机顶部风道的进出风空气量均有所增加,其中顶部风道的出风空气量较仅采用顶部风道时显著增大,对励磁机定子、转子的冷却空气量改善较明显,励磁机定子、转子靠近励磁机轴承端外罩处(图2)温度由68.9 ℃下降至47.6 ℃,下降21.3 ℃(图4、图7),励磁机定子、转子的冷却效果明显改善。由于冷却空气量的增大,励磁机外罩温度分布(图7)较仅采用顶部风道(图4)时均匀,外罩内部的温度场较均匀。

即使顶部进出风温差值较小时,出风风道两端的温差也要大于进风风道两端的温差,如图7热成像结果所示,励磁机顶部出风风道在与环境热交换后靠近电机端的温度低于励磁机顶部进风风道温度,当励磁机外罩泄漏的冷却空气量不变时,对励磁机冷却后返回至主电机的冷却空气量增加,但是仍然小于励磁机顶部进风风道冷却空气量。

图8 励磁机使用两组风道运行时温度变化趋势图Fig.8 Temperature change trend when the exciter uses two sets of air ducts

励磁机顶部风道在冷却空气量增大后,进风风道两端仍存在温差,顶部风道与环境存在热交换,在进入励磁机外罩前,与环境进行热交换可以进一步降低冷却空气的温度。而励磁机底部进风风道与出风风道之间直接接触,并在电机基础内流过,与环境之间热交换较小,存在进出风风道之间热交换的问题,造成进入励磁机的冷却空气温度升高,因此,底部风道在结构布局上冷却效果较顶部风道差。

3.3.2 对主电机温度的影响

按照冷却空气量,路义萍等人[20]计算了该型号国产同步电机主电机冷却空气量,4 800 r/min时总冷却空气量为26.58 kg/s。路义萍等人[15]还对励磁机冷却空气量进行了计算,仅使用顶部风道时,4 800 r/min时励磁机冷却空气量为0.498 kg/s,对空气量加倍后为0.996 kg/s,占总冷却空气量的比例由1.9%变为3.7%,总冷却空气量比例小于4%,仍对主电机冷却空气量的分配影响较小。

按照功率进行计算,主电机输出功率10.5 MW时,励磁机功率仅使用10.5 kW,励磁机功率为主电机功率的0.1%,电流的热效应发热量较小,励磁机总热功率远远小于主电机热功率。

从冷却空气量及热功率进行计算,将励磁机冷却风量加倍后,对主电机的冷却功率影响较小,因此采用两组风道对励磁机进行冷却时,主电机定子温度未见上升。

3.4 旋转整流盘整流发热影响的验证

当仅使用顶部风道时,不便对旋转整流盘整流过程中的发热进行分析和验证,当电机在恒定转速运行时,工况变化电机输出功率也将发生变化,统计国产同步电机运行恒转速4 244 r/min时,连续运行情况下不同功率下励磁机运行温度,结果见图9、表5。励磁电流下降后,励磁机表面运行温度均有所下降,摩擦生热不变的情况下,定子、转子电流发热以及旋转整流盘整流的工作热量对励磁机整体运行的温度影响较明显。

图9 恒定转速不同功率时励磁机运行温度变化趋势图Fig.9 Variation trend of exciter operating temperature at constant speed and variable power

表5 恒定转速不同功率时励磁机运行温度统计表Tab.5 Exciter operating temperature statistics at constant speed and variable power

3.5 励磁机冷却风道设计建议

由表4～5可知,励磁机底部风道出风温度与顶部风道出风温度差值约20 ℃,显然旋转整流盘的发热量要远大于励磁机的转子及定子发热量,因此励磁机在冷却风道设计时宜考虑增大旋转整流盘处散热空气量。

励磁机顶部进出风风道温差最大为6.4 ℃,对励磁机定子、转子冷却后冷却空气的温升较小(表4～5);励磁机底部进风风道温度与顶部进风风道温度相同,而励磁机底部出风风道温度高于顶部出风风道温度,最高达23.5 ℃(表5),冷却空气对旋转整流盘冷却后温升幅度较大,远大于顶部进出风道的温升,如果励磁机采用一组冷却风道时,宜先对励磁机转子及定子冷却后再对旋转整流盘进行降温,达到较好的总体降温效果。

3.6 冷却水温度运行建议

结合IEC 60034-1和GB/T 755的要求,按照表4～5统计数据,同步电机运行转速及负荷较高时,即使冷却水温度较低,冷却空气温度也不能达到40 ℃的要求,而同步电机运行转速及负荷降低后,冷却水温度保持不变的情况下,冷却空气温度同时下降。同步电机主电机及励磁机由冷却空气进行冷却,因此,影响同步电机运行环境的直接因素为冷却空气温度,宜以冷却空气温度为依据确定冷却水温度。

3.6.1 冷却水温度运行下限

在同步电机运行过程中,当同步电机负荷较高时,宜降低冷却水供水温度,以增强冷却效果,满足IEC 60034-1和GB/T 755对冷却空气温度不大于40 ℃的要求,以改善电机工作环境。

电驱压缩机站场冷却水系统同时供给运行机组及备用机组系统,其中压缩机厂房内温度较高,空气的露点温度也较高,冷却水温度的下限不应低于压缩机厂房的露点温度,防止冷却水温度过低引起供水管线外部及电机内部结露,产生锈蚀。宜在压缩机厂房增加露点温度检测,根据空气露点控制冷却水温度的运行下限。

3.6.2 冷却水温度运行上限

在同步电机运行过程中,通常情况下冷却水进口温度不超过25 ℃,当同步电机负荷较小、冷却空气温度不大于40 ℃时,进口冷却水温度可以适当提高,但不应超过33 ℃,满足冷却空气温度的要求同时节约能耗。

3.7 同步电机运行建议

IEC 60034-1、GB/T 755及各电机生产厂家规定了冷却空气温度,当因同步电机负荷较高、空水冷却器换热效率下降等原因造成冷却空气温度不能达到规定值时,应按照规定的冷却空气温度时的温升限值计算得到同步电机任意测点的温度上限值,同步电机运行过程中的任意测点的温度均应与温度上限值保持余量,确保同步电机运行时保留足够安全裕度。由于励磁机定子、转子、旋转整流盘等部件无实际温度检测点,应通过励磁机外罩温度辅助判断内部最高温度是否在上限范围内。

同步电机运行温度影响励磁机旋转整流盘的二极管、压敏电阻等器件平均无故障时间,影响定子、转子的绝缘寿命,当同步电机冷却空气温度较高时,不宜长时间在高温环境下运行,否则会降低同步电机整体寿命。

4 结论

1)对某13 MW国产同步电机励磁机旋转整流盘运行温度高的原因进行分析,发现由于其自身结构的影响,旋转整流盘处冷却空气量较小,励磁机总体冷却空气流通不畅造成励磁机运行温度较高、旋转整流盘处运行环境温度高。

2)利用该型号励磁机旋转整流盘冷却空气流通存在风阻的不利因素,同时使用该励磁机顶部进出风道与底部进出风道时两组风道分别独立对励磁机两侧发热部位进行冷却,可以有效降低励磁机运行温度,改善旋转整流盘的工作环境。

3)旋转整流盘的发热量大于励磁机转子、定子的发热量,励磁机冷却空气量的分配上,应偏向于增加旋转整流盘处冷却空气量,当采用一组冷却风道时,宜首先对定子和转子进行冷却后再对旋转整流盘进行冷却。

4)励磁机冷却通风设计时,宜增大励磁机的空气量,增大后并不会造成主电机温度上升。

5)通过同时采用顶部、底部两组风道对冷却系统进行了改进,有效降低了励磁机的运行温度,延长了二极管运行寿命,提升了国产同步电机的运行可靠性。