西霞院水电站发电机定子温度高原因分析与诊断

郭万欣，王帅琦，金 洋

（黄河水利水电开发集团有限公司，河南 济源 459017）

1 概述

西霞院水电站是小浪底水利枢纽的配套工程，装设有4 台水轮发电机组[1]，采用由通用电气亚洲水电设备有限公司设计制造的SF－J35－80/10470型立轴、伞式发动机，额定功率35 MW，额定容量47.176 MVA，额定电压10.5 kV，功率因数0.85（滞后），效率97.5%。发电机定子由4 个部分组成，在现场组合整圆后焊成整体；其主绝缘线圈按照通用电气加拿大定子绝缘系统标准生产，采用环氧粉云母带包扎的全固化圈式线圈，绝缘等级为F 级。转子由主轴、转子支架、磁轭和磁极组成，采用磁轭压板带离心式径向风扇的结构。发电机冷却方式采用全密闭循环空冷，在机座外壁均匀装有8 只基伊埃生产的ESV-S141 型空气冷却器，冷却水流量198 m3/h,工作压力为0.3～0.5 MPa；冬季采用开启式与密闭自循环相结合的冷却方式，在每个空气冷却器支架开有取暖孔取暖。常规运行模式下，西霞院机组定子线圈温度相对环境温度允许温升为85 K，一般按照不超过120 ℃控制。

2 事件描述

2022 年3 月，运行人员在进行西霞院水电站机组状态研究分析时，通过对1 年来西霞院水电站7号～10 号机组各部温度有效值的对比分析。发现10 号机组定子线圈和定子铁心温度虽在正常运行范围内，但与其他机组相比明显较高。西霞院水电站1 年来7 号～10 号机组温度对比如图1 所示。通过对1 年来10 号机组定子绕组和定子铁心温度进行分析对比，发现其定子温度是自2021 年8 月25日之后明显升高的，此时10 号机经过一段时间的停机避沙后重新并网发电。

图1 西霞院水电站1 年来7 号～10 号机组温度

发电机组长期处于高温条件下运行，会对定子绝缘造成损坏，使绝缘发生脆化，机械强度减弱，较少其使用寿命，如果温度过高将会引起定子线棒绝缘老化、定子线棒机械强度降低，甚至引起定子烧毁重大事故，造成较大的经济损失；并且高温发电机的定子电阻率高、损耗大，会降低发电机效率，水轮发电机组水资源利用率大大降低，造成弃水，不利于西霞院水利枢纽综合效益的全面发挥[2]。另外，定子温度长时间较高，还会造成发电机组基坑内温度偏高，加速机组自动化元件的老化，不利于发供电设备安全稳定运行[3,4]。

3 原因分析

3.1 发电机测温模块故障

发电机定子绕组测温方式一般选用埋入式温度检测计，西霞院发电厂水轮发电机采用电阻式检测计，每根定子线棒上都有两个测温元件，分别埋置于定子线棒的中部上、下层，并用导线连接至测温模块，测温模块将感温电阻的阻值转化为温度值传输给上位机，通过感温电阻的阻值变化来测量埋置温度检测计地点的温度变化[5]。

由于西霞院发电厂10 号发电机组的定子温度整体升高，可以判定并非单个测温单元故障所引起，对发电机定子测温模块进行检查校验后重新并网运行，10 号发电机组定子温度与校验前无变化，可以判定其定子温度升高不是由发电机测温模块故障所引起的。

3.2 发电机三相不平衡

当发电机三相不平衡时，定子处在电磁感应的作用下会产生一个与发电机转动磁场方向相反的新磁场，此时因为发电机在水轮机的带动下持续旋转，产生的顺序旋转磁场较大，因此水轮发电机组仍然按照顺序磁场进行旋转。但是在定子产生的逆序磁场的作用下，形成了与发电机组旋转方向相反的作用力，使得发电机组的发电效率降低，还影响发电机组的使用寿命；同时，逆序磁场的存在还会形成负序电流，造成发电机损耗增加，转子振动加大，机组发热量增加，定转子温度升高。

按照水轮发电机的设计要求，水轮机的三相电流之差，不得超过额定电流的20%，不得大于其额定值，允许担负的负序电流不得大于额定电流的12%。

如图2、图3 所示，通过对西霞院水电站1 年来10 号机组三相电压、电流进行分析，明显可以看出10 号机组不存在三相电压、电流不平衡的情况。因此10 号机组定子温度高不是由于三相电压不平衡导致。

图2 西霞院水电站1 年来10 号机组三相电压

图3 西霞院水电站1 年来10 号机组三相电流

3.3 定子振动过大

发电机定子振动产生的原因有很多：发电机三相不平衡、安装位置不达标、转子中心位置不正、定子磁轭间隙有灰尘沉积等。发电机定子振动过大会使定子安装位置松动，发热量增加，发电效率降低。西霞院水电站发电机组定子铁心振动定值为：水平方向震动值不得超过60 μm；垂直方向震动值不得超过20 μm。从图4 可以看出，通过对1 年来10号机组定子铁心振动值进行分析，10 号机组定子的水平和垂直振动值均在正常范围内，并未发现振动过大的情况。

图4 西霞院水电站1 年来10 号机组定子振摆值

3.4 空气冷却器效率较低

根据热平衡原理，发电机在运行过程中发电机的散热量与空气冷却器强制热交换量、风洞及发电机外壳向外辐射热量之和相等，此时发电机则可在运行中保持恒定温度[4]。即：

式中：Q1为空气冷却器强制热交换量，Q2为风洞及发电机外壳向外辐射热量之和，mw为空气冷却器冷却水流量，cw为空气冷却器冷却水比热容，tw2-tw1为空气冷却器冷却水进出口温差，h为换热系数。

由于西霞院水电站发电机所在的风洞为密闭空间且风洞壁较厚，因此可将风洞向外辐射散热量忽略。对于发电机外壳散热，可将其看成无限空间自由运动换热，由于相对于空气冷却器换热量小得多，因此也可将其忽略不计。可以得出结论：在机组运行过程中，运行工况一定的情况下，发电机定转子温度是由空气冷却器的换热效率所决定的。

通过对1 年来7 号～10 号机组空气冷却器冷却水进出口温差进行对比，发现10 号机组空气冷却器冷却水进出口温差明显比其他机组低。发电机在运行过程中发电机的散热量不变，因此可以认为10 号机组定子温度升高是由空气冷却器换热系数降低所引起的。

发电机组空气冷却器的换热效率受以下几个因素的影响：

（1）冷却水的流量和压力

通过热平衡方程可知道，机组热损耗量一定时，空气冷却器冷却水流量越大，其换热效率越高。西霞院工程发电机组技术供水主水源采用循环供水方式供水，每两台机为1 个供水单元，共设两个供水单元，每单元设置3 台循环水泵（深井泵）、4 组尾水冷却器及1 台电控柜。循环供水系统主要由供水水泵（深井泵）、尾水冷却器、循环水池、机组冷却器、阀门、管路、表计以及控制系统等组成。供水水泵从循环水池中抽取循环水进入供水管，通过安装在机组尾水出口闸墩之间横梁上的尾水冷却器将水冷却，然后经供水管送入机组各冷却器，最后通过回水管送回到循环水池。发电机组空气冷却器额定用水量mw为3 300 L/min，通过调取上位机10 号机组空气冷却器流量数据进行分析，10 号机组空气冷却器冷却水流量并未明显低于历年，并且冷却水循环泵的供水压力压力恒定。因此可以得出结论：西霞院10 号机组定子温度偏高与空气冷却器冷却水流量及压力无关。

（2）冷却肋片变形

空气冷却器冷却肋片变形会导致此处冷却水流量降低或阻断，变形的肋片相互交错也会让空气冷却器换热面积减小，降低空气冷却器整体换热效率，使得发电机定转子局部过热。此情况可根据发电机定转子各个测温点温度差来进行判定，如若部分测温点温度较其他高，则此处堵塞或肋片变形。根据对西霞院10 号机组各个测温点进行分析判定，其定子温度偏高与空气冷却器冷却肋片变形无关。

（3）冷却器换热系数降低

空气冷却器对于发电机组的换热可以看成管内流体对外强迫换热，因此其换热系数的值取决于管路两侧流体的种类、速度以及管径、材质、本体导热系数等。对于西霞院电站发电机组空气冷却器来说，冷却水流量不变，其换热系数主要取决于空气冷却器本身的导热性能。空气冷却器表面积灰，管路和冷却器内部锈蚀或结垢等因素均会造成空气冷却器换热效率降低。通过对西霞院10 号机组空气冷却器拆除检查发现：进出口管路内壁结有较厚的水垢，利用专业清洁剂对空气冷却器内部管路进行清理发现其内部管路也有较多杂质。

4 处理结果

经过分析判定，西霞院水电站10 号机组定子温度异常升高的原因为空气冷却器内部管路结垢导致其换热系数减小，换热效率降低。最终将10 号机组空气冷却器进行清理更换，更换后重新并网运行，通过对其定子线圈和定子铁心温度跟踪观察发现：西霞院10 号机组定子线圈和定子铁心温度相较于更换空冷器前有明显降低，与其他机组相比相差不大。由于西霞院水电站机组技术供水取自地下清水循环供水，水中含有较多可溶性杂质，长时间运行会在空冷器内管壁形成水垢，因此在机组长时间运行后应进行定期清理，防止定子温度异常升高的状况再次发生。

5 结论

发电机组定子温度高可能有多方面原因，如测温模块故障、三相不平衡、振动过大、长时间高负荷运行、冷却水温度高、空气冷却器换热效率降低等。通过数据分析对各种原因进行分析判定，将西霞院水电站10 号机组定子温度高的原因锁定为空气冷却器堵塞导致换热效率低下，经更换空气冷却器后10 号机组定子绕组和定子铁心温度明显降低。