水轮发电机超出力的设计与计算

郑程遥，卫小筠，唐旭东，李晋琴

（1.广东水利电力职业技术学院，广东 广州 510000；2.广州市恩莱吉能源科技有限公司，广东 广州 510655）

水轮发电机超出力的设计与计算

郑程遥1，卫小筠2，唐旭东2，李晋琴2

（1.广东水利电力职业技术学院，广东 广州 510000；2.广州市恩莱吉能源科技有限公司，广东 广州 510655）

水轮发电机超出力运行在工程中普遍存在，但目前在理论上尚无相关的在工程上可资应用的成果。统计表明，发电机超出力的主要影响因素是定子绕组，其本质是绝缘的热击穿。由此，提出了基于Montsiger定律的发电机超出力设计与计算的方法，并对相关的主要参数进行了探讨，通过工程实例验证，证明了其合理性。

水轮发电机；绝缘寿命；超出力运行

水轮发电机的超出力，是指在一定的水文条件下，水轮发电机组超过铭牌给定的额定出力运行。超出力运行，常常是用户对制造厂提出的基本要求。尽管在国标GB/T7894-2009中规定了水轮发电机在事故条件下允许的短时过电流及相应的限制时间，但实际上，发电机超出力是一个系统性问题，不仅仅是出于事故的考虑，而且会基于水能利用或电力系统调度的要求，不仅仅是发电机电流的考虑，而更直接的是温度的限制，它与定子电流，绝缘结构，通风冷却系统都有内在的联系。而在现今的工程实践中，超出力问题，未见规范化的解决方案，使有关技术人员感到困惑。因此探讨发电机超出力的影响因素和内在逻辑，总结其规律，以指导水轮发电机超出力的设计、制造和运行，是十分必要的。

1 发电机超出力的影响因素及绝缘寿命计算

1.1 发电机超出力运行的影响因素

发电机超出力影响因素较多，但主要是机械强度、电场强度分布及绝缘寿命等。一般情况下，水轮发电机组机械强度都留有一定的裕量，发电机机械强度裕量最大可达40%以上[1]，所以就一般情况而言，机械部件是有能力超出力运行的，不应作为控制条件。理论和实践都表明，超出力运行一般不会造成设备的瞬间破坏，而是呈现一种累积效应，影响机组的寿命。在水轮发电机零部件系统中，不同的零部件其寿命周期也不同，根据国外有关部门对15个国家389台水轮发电机进行了调查统计，其结果如表1[1]。

表1 水轮发电机的零部件改造

从表1可看出，定子绕组是决定发电机使用寿命及超出力的关键部件。定子绕组的损坏，主要是指绝缘的损坏。目前，一般水轮发电机组采用固体介质绝缘，其破坏方式为电击穿或热击穿，在其它条件相同时，电击穿场强较高，为热击穿场强的100倍[2]，所以，就绝缘损坏来讲，热击穿为控制因素。

电机绝缘结构的热平衡方程为[2]：

式中：

εγ—介质的相对介电常数 δ—散热系数

E—电场强度 λ—介质的导热系数

tgδ0—介损 α2—固体介质的温度损耗系数（1/℃）

tm—介质的中心温度 t0—介质的表面温度

上式，左右两边均为温差(tm−t0)的函数，左边表示固体介质的内部因损耗产生的热量与温度成指数关系，而右边表示，固体介质通过热导向周围媒质传出的热量，与温度成直线关系，如图1所示。

图1 在一定电场下，介质发热及散热与温度的关系

由图1可看出，在一定的电场（电压）下，介质的热平衡曲线有两个热平衡点a、b。但a点为稳定热平衡点，b点为不稳定热平衡点，当介质由于损耗发热使其中心温度在ta与tb之间，或小于ta时，通过周围媒质的散热调节，介质中心温度稳定在ta，固体介质不会发生热击穿。当介质中心温度大于tb时，发热一直大于散热，介质中心温度会不断上升，最终发生热击穿。

从物理成因来讲，固体电介质受热后，质点热运动加剧，使介质产生更多的载流子或给载流子创造更好的迁移条件，因而电导增加。与此同时，介质受热还可使极化加剧，极化损耗增大。这样，电导及极化损耗产生的热量使介质温度升高，温度升高又使介质损耗增加。这种恶性循环，在散热不良的情况下，不仅加速介质的热老化，而且还可能导致固体介质烧焦、熔融、开裂等热破坏，最终引起热击穿。因此，每种固体介质都要测定其耐热性能，并规定其适当的工作温度。如表2所示的工作温度，是固体电介质允许的最高温度，是介质的物理、化学、机械及电性能都长期基本不变的温度。当介质超过此温度长期工作时，其性能将迅速变劣，引起加速老化，从而影响介质的使用年限或绝缘寿命。

表2 绝缘的耐热等级

1.2 电机绕组绝缘寿命的计算

绝缘寿命的影响因素很多，主要是热累积效应，此外，还有电的作用，机械力作用以及水分、氧化、各种射线及微生物的作用等。这些因素的作用往往互相影响、互相促进，从而加速老化过程。但由1.1分析，这些因素只是在超过一定限度时绝缘才显示出劣化速率，即绝缘的老化才比较显著，并因绝缘材料不同而异。

绝缘材料能耐受一定的电场强度与温度。当电气设备按规定的条件运行时，虽然长期受电、热等各种因素作用，仍可达到规定的绝缘寿命。

电机的绝缘寿命，可依据Montsiger定律进行计算。

式中，Tθ温度为度时绝缘寿命，T0为温度在标准极限温度下的绝缘寿命,一般取8年。

绝缘耐热等级为A、B、F时，K值分别为8,10,12[3]；当θ−θ0（温度升高值）分别等于8,10,12时，T=T02，即绝缘寿命降低一半。

事实上，发电机的绝缘寿命，取决于整个运行周期发电机温度与时间的分布。为简化计算，可以典型年为代表，计算发电机的绝缘寿命。

将典型年一年（8760h）中发电机温度和时间段的对应关系作合理的划分，（θ1,t1）…（θ2,t2）…（θi,ti）…（θn,tn），如图2所示：

图2 发电机温度和时间段对应关系曲线

将式（2）代入式（4）并整理得：

式中，h表示小时，y表示年。

例如，某水轮发电机采用B级绝缘，根据其年出力曲线，可将其温度和时间划分为三段（0.5y，100℃），（0.15y，130℃），（0.35y，120℃）；则其绝缘寿命为：

2 水轮发电机超出力的设计与计算

2.1 电机绝缘寿命与温度限制的讨论

正如前述，水轮发电机的损坏，主要是热击穿，而发电机超出力，使发电机热性能变劣，从而引起温度升高，但热破坏是时间累积的结果，因此，发电机超出力，主要受电机绕组绝缘寿命限制。

电机绝缘寿命值，可依据用户在招标文件中给定的数据确定。如招标文件无此要求，则设计人员应确定一个合理的数值。显然，这个数值应与社会经济背景有关，也应与发电机整体的主要部件的寿命相匹配，定得过高或过低，都是不经济的。在我国，从历史经验来看，宜选择25～40年。应该指出，传统理论将电机温升限值作为额定出力的对应值的设计方法是不够全面的，因其忽略了运行过程对绝缘寿命的影响。例如，某水电站，发电机采用B级绝缘，年利用小时数达6600 h，按Montsiger公式估算，发电机绝缘寿命约21年，寿命周期太短。而在我国的工程实践中，绝大多数电站都是在温升限值下留了相当大的一个裕量作为温升限值，就目前的电机设计而言，“F级绝缘材料，B级温升”已成为一种国际惯例，充分说明了国内外对电机绝缘寿命是敏感和谨慎的。事实上，即使F级绝缘材料，从综合热效应出发，目前用户和制造厂都没有将温度约定在B级相应的限值，而是留了一个5K～10K的裕量，这是考虑到绝缘材料寿命的分散性和制造、安装工艺的影响。例如取温度限值为120℃～125℃，并且设定表观温度与电机体内最高温度差值约10℃～15℃，故允许表观温度约105℃～115℃。

2.2 水轮发电机超出力的设计与计算

水轮发电机超出力运行，控制条件是绝缘寿命，但归根到底，是与电机绕组的温度与时间对应的分布有关。根据水力发电的特点，宜将之与水文、水能及水利计算的时间分段相结合。为简单记，按月温度分布来计算电机的绝缘寿命。根据前面的讨论，将适于工程应用的电机超出力的设计与计算方法归纳如下：

1）确定电机的绝缘等级与绝缘寿命TL。

3）当无超出力运行时，由式（5）计算电机的绝缘寿命 ，即：

如T>TL，方案可行，如T>TL，则应修改电磁方案（含通风冷却条件）。

4）当有超出力运行时，超出力持续时间为tm天，超出力时的平均功率为pm，则通过电磁计算，可将出力为pm时对应的温度算出，设为θm，这时电机的绝缘寿命为：

式中，q为超出力发生的月份，qθ为超出力月份中除去超出力日数的总日平均温度，mθ为超出力日数对应的平均温度。

超出力可行的判据为：

否则应调整电磁计算，得到合适的mθ，直至满足式（8）。

式（6）～（8），以温度与绝缘寿命为参数确定超出力限值，更直接反映了超出力的物理本质，由于mθ是通过电磁计算得到，所以综合考虑了发热和散热的各种影响因素，其基本点是国际上公认的Montsiger定律，因此，具有工程应用的可靠性。

2.3 有关参数的讨论

（1）T0：T0为在极限温度下的绝缘寿命。目前，国内外文献提供的数据有很大的差别[1][2][3][4]，因为是统计数据，具有一定的分散性，约6～13年，我们根据已有记录的数反求，宜取8年合宜，但T0的取值，仍是值得研究和讨论的问题。

（2）mθ：mθ为在超出力运行定子绕组的温度。定得太低，将影响制造成本；定得太高，将影响绝缘寿命，根据电机按F级绝缘材料B级绝缘考核的性能，宜取125℃，即表观温度为115℃合宜。

（3）TL：TL为要求的定子绕组绝缘的寿命。一般为25～40年，水电站经济评价计算周期为30年，故取30年为宜。

3 应用实例

广东某水电站，于2005年建成投产，装设4台水轮发电机组，单机额定功率为18MW，功率因素为0.95，额定电压为10.5kV，发电机绝缘按F级绝缘材料、B级温升进行设计，该电站2013年1#机组运行温度的统计数据如下：

表3 1#机组一年运行月平均出力、温度

从表3可以看出，该机组在2月、6月、7月和9月的平均出力大于额定出力，水轮发电机组在超出力运行，根据2.2中的计算方法和2.3中参数的选择原则，按该典型运行方式其水轮发电机组的寿命为：

从计算结果可以看出，即使在四个月发电机组超出力运行，其绝缘寿命也满足使用年限的要求，因而上述超出力是可行的。

实际上该电站运行10年来，发电机定子绕组的绝缘强度依然保持在正常的水平。

4 结语

（a）水轮发电机超出力运行，是水电站提高经济效益，电力系统提高安全稳定运行水平的常用方法；

（b）一般情况下，水轮发电机超出力运行的控制条件是发电机定子绕组温升，更确切的说，是定子绕组温度与时间的关系；

（c）水轮发电机超出力的计算，主要方法是根据定子绕组温度与时间的分布，依据Montsiger公式计算其绝缘寿命，使其绝缘寿命取值在25～40年内，或按招标文件的要求。

[1] 陈锡芳.水轮发电机结构运行监测与维护[M].北京：中国水利水电出版社，2008.

[2] 刘炳尧.高电压绝缘基础[M].湖南：湖南大学出版社，1986.

[3] 丁舜年.大型电机的发热与冷却[M].北京：科学出版社，1992.

[4] [英]J.H.沃克 著 马国珩 主译.大型同步电机设计、制造与运行[M].《东方电机》编辑部，1989.

The Design and Calculation of Hydro-generator with Excess Output

ZHENG Cheng-yao1, WEI Xiao-yun2, TANG Xu-dong2, LI Jin-qin2
(1 .Guangdong Technical College of Water Resources and Electric Engineering, Guangzhou 510635, China;2. Guangzhou Energy Science and Technology Co., Ltd., Guangzhou 510655, China)

Operation of hydro-generator at excess output is common in projects, but there is little relative theoretical achievement that can be applied in engineering. Statistics shows that the main factor that influences hydro-generator with excess output is motor winding , which in essence is thermal breakdown of insulation. In this paper, based on the law of Montsiger, the design and calculation method about hydro-generator with excess output is proposed, and the relevant parameters are discussed. The rationality of this method has been proved with engineering instance.

hydro-generator; insulation life; excess output operation

TM713

A

1672-2841（2016）01-0032-04

2016-02-27

郑程遥，男，教授级高工，博士，主要从事水电设备的研发、重大水电工程技术管理工作。