实施槽楔换型改造降低循泵电机运行温度

杨 扬，王瑞青，杜 刚，罗 杰，王 超

(中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314300)

实施槽楔换型改造降低循泵电机运行温度

杨 扬，王瑞青，杜 刚，罗 杰，王 超

(中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314300)

分析了某核电厂循泵电机长期存在温度高的缺陷，通过试验确认缺陷原因为定子绕组更新后直流电阻增大，并提出将槽楔更改为磁性槽楔的改造方案。改造结果表明：更换为磁性槽楔后，降低了电机的运行温度，提高了设备运行的可靠性。

磁性槽楔；循泵电机；绕组温度

1 故障简述

国内某核电厂循泵电机长期存在温度偏高的缺陷，该电机是英国劳伦斯电机厂生产的高低速电机，额定电压6 000 V，高低速功率为5 000 kW/2 900 kW。在机组运行期间，该电机处于低速连续运行状态，冷却方式为水冷，由SRI闭式冷水系统提供冷却水。循泵电机2014年5月的监测数据如表1所示。

表1 循泵电机的监测数据(环境温度约22 ℃)

从表1可以看出，有2台电机绕组温度偏高，且4台电机绕组温度存在差异，温度最大差值高达21 ℃，而运行电流与环境温度均无差异。尽管绕组温度值仍处于运行限值内，但考虑到电机处于低转速低功率运行工况，离满功率仍有43 %的距离，且温度差异明显，故认为电机运行状态存在异常。

2 可能的缺陷原因

根据电机的运行机理，分析造成电机绕组温度高的原因可能有：

(1) 冷却不足，即冷却水温度过高或流量不足，造成电机整体温度高；

(2) 环境因素，即较高的环境温度或不利的对流通风，提高电机温升；

(3) 电机本体发热量大，即电机本体发热与电机的铜耗、铁耗和风摩耗有关，其中风摩耗主要与转速有关，不是发热的主要来源，电机内部发热主要由铜耗和铁耗引起。

3 排查过程

3.1 检查冷却水

为排除缺陷，在电机运行期间进行了冷却水温度和流量测量，测量结果如表2所示。

表2 循泵冷却水流量和温度测量

根据测量结果，4台电机的冷却水流量和温度无较大偏差，冷却回路引起电机运行异常的可能原因被基本排除。

3.2 排查环境因素

在2014年大修期间，将2CRF001MO(C624E0 1/4)与2CRF002MO(C624E01/2)电机互换位置，设备名称互换，电机编码不变，随后的监测结果如表3所示(环境温度约34 ℃)。

表3 2CRF001MO/2CRF002MO互换位置后的监测数据

监测结果表明：原来温度偏高的2CRF002MO电机(C624E01/2)在换位后温度仍然偏高，因此确认电机温度高的缺陷来自电机本体，排除了外部因素的影响。

3.3 检查电机铁芯损耗

在排除电机外部因素影响后，从铁耗和铜耗这2个方面进行检查。在循泵电机检修期间进行铁损试验对比，根据电机的铁芯测量参数，磁通密度取1 T，磁场强度取2．4 A/cm(经验值)，单位质量功率损耗取2．5 W/kg，90 min试验结果如表4所示。

表4 铁损试验数据

从表4可知，在相同试验条件下，2台电机的温升分别为11 K和7 K，均低于温升标准值25 K，因此排除了铁芯缺陷。

3.4 电机直流电阻检查

查阅4台电机的出厂数据，并与目前的直流电阻进行对比，如表5所示，发现温度高的2CRF002MO(C624E01/2)直流电阻变化率最大。

表5 循泵电机出厂直流电阻与目前值的对比

查阅检修历史文件，发现2002—2003年曾将电机编码是C624E01/1和C624E01/2的电机送国内电机修理厂进行重新绕线处理。经过上述排查后，认为这2台电机经过送厂重新绕线处理后，因材料或工艺等原因增大了电机直流电阻和铜损耗，同时不排除其他偏差影响其散热。

4 更换磁性槽楔的利弊

虽然已确认造成电机发热的根本原因来自电机绕组，但是更换绕组并不一定能保证电机达到原出厂状态，因此考虑以减小电机运行铁耗来降低电机运行温度的方案。

经过调研国内外的电机生产技术，发现国内外大型电机在生产中已开始采用磁性槽楔来降低电机铁耗和提高电机运行效率。目前，该核电厂也能够接受对电机槽楔进行更换的工作量。与非磁性槽楔相比，磁性槽楔对电机性能主要有以下影响。

4.1 对改善定转子气隙磁密分布的影响

当电机旋转时，多数磁通将通过磁导较大的位置进入转子最终闭合。电机定子使用非磁性槽楔时，主磁通在定子槽口附近的气隙中磁密分布很低，气隙磁密分布不均匀，如图1所示。使用磁性槽楔后，减小了槽口处的磁阻，使气隙中的磁密趋于均匀，如图2所示。由此可知，使用磁性槽楔可有效改善气隙磁密分布，减小由谐波引起的附加损耗，从而降低电机运行温度。

图1 非磁性槽楔磁通分布

4.2 对增大定子漏抗的影响

使用磁性槽楔会改变磁通经过的路径，从而增大定子槽部的漏抗，降低电机运行温度。主要原因是部分磁通通过槽楔形成闭环，从而不经过转子，使得定子漏磁通增加。

图2 磁性槽楔磁通分布

4.3 对降低铁芯损耗的影响

电机空载运行时，由于磁性槽楔磁导率的增大，减小了槽型对气隙磁场分布的影响，改善了气隙磁密的正弦性，减小了气隙有效长度，从而减小了电机铁芯表面损耗，降低电机运行温度。

4.4 对电机运行电流和力矩的影响

随着磁性槽楔磁导率的增大，电机漏抗增大，电机空载电流和起动电流也随之减小；同时电机起动转矩和最大转矩减小。磁性槽楔相对磁导率变化对转矩的影响如图3所示。

图3 电磁转矩与槽楔相对磁导率之间的关系

4.5 对槽楔强度和寿命的影响

随着磁导率的增高，槽楔在定子磁场中将产生涡流损耗，将增加本身的发热量。由于磁性槽楔位于电机定子铁芯冲片齿部的槽口处，承受着气隙磁场各种交变力的作用，所以对槽楔的力学性能、电性能和磁性能均有较高的要求。

较高的磁导率有利于降低电机的铁损，从而降低电机空载电流和电机转矩。对CRF循泵电机而言，其主要缺陷为电机运行期间绕组温度高，这对电机的运行可靠性及寿命都有不利影响。由于电机的负荷为常规泵，其正常运行工况时的负荷远低于额定负荷，因而可以忽略启动力矩减少造成的影响。权衡利弊后，认为更换磁性槽楔以降低循泵电机运行温度的方案是可行的。

5 改造实施和验证

2015年6月，对循泵电机C624E01/2实施技术改造，更换磁性槽楔，其主要步骤如下：

(1) 根据原槽楔尺寸选择替代型号，采用德国伊索拉公司生产的磁性槽楔，其主常态弯曲强度大于150 MPa，2 000 A/cm下的磁感应强度不小于0．7 T，3 000 A/cm下的磁感应强度为0．95 T，电阻率大于1 Ω·m；

(2) 按正常步骤解体电机，将转子抽出后对电机定子进行铁损试验，试验结果温升为10 K；

(3) 拆除电机定子槽楔，更换为磁性槽楔；

(4) 定子槽楔更换完成后，再次进行定子铁损试验，试验结果温升为9 K；

(5) 定子真空浸漆(VPI)并回装电机，进行空载试验。试验结果显示：高速状态运行空载平均电流141 A，温升20 K(改造前空载平均电流143．7 A，温升36．3 K)。

空载试验证明：更换磁性槽楔后，电机的空载运行电流和绕组运行温度都降低了，符合预期。

2016年1月，将技改后的电机更换至现场4CRF002MO设备位置，环境温度均为4 ℃，对比与其他电机同样工况下的绕组温度(此时1CRF001MO由于铁芯电灼伤缺陷，已更换为备用电机)，结果如表6所示。

表6 CRF电机运行温度 ℃

对表6的现场测试结果看，该电机的绕组运行温度已经明显降低，与同类同工况的电机比较已无明显偏高，达到改造目的，改善了电机的运行条件，同时该电机的启动时间也无明显异常。

6 缺陷处理情况

该核电站1，2号机组长期存在2台循泵电机运行温度高的缺陷，对设备可靠性造成了不利影响。通过对比试验最终确认了缺陷是由绕组直流电阻大引起的。由于重新更换绕组具有不确定性，从降低铁损的方向考虑，权衡磁性槽楔对设备性能影响的利弊，最终决定进行更换磁性槽楔的改造。改造后，降低了电机的运行温升，且电机启动转矩的降低也未对水泵运行造成不良影响，提高了设备运行的可靠性。

7 后续关注

由于磁性槽楔在电机运行中会产生涡流发热，并承受电机磁场交变力的作用，因此在电机的解体维护过程中应加强对槽楔的检查。同时，应注意在对磁性槽楔进行改造时，磁导率越高未必效果越好，因为磁导率过高将造成起动力矩、最大力矩降低，将对重负荷电机带来性能下降的不利影响，危害电机正常运行。

1 王 英．磁性槽楔在异步电动机节能中的应用[J]．江西电力职业技术学院学报，2002，15(2)：28-30．

2 梁艳萍，陈 晶，刘金鹏．磁性槽楔对高压感应电动机电磁参数和性能的影响[J]．电机与控制学报，2010，14(3)：1-5．

3 薛 易，李伟力，王立坤．转子导磁导电槽楔材料对汽轮发电机参数和转子表面损耗影响的研究[J]．中国电机工程学报，2015，35(7)：1 768-1 774．

2016-09-12；

2016-12-11。

杨 扬(1986—)，男，工程师，主要从事电机维护和管理工作，email：yyang@cnnp．com．cn。

王瑞青(1985—)，男，工程师，主要从事低压电气检修工作。

杜 刚(1981—)，男，工程师，主要从事电机检修和设备管理工作。

罗 杰(1985—)，男，工程师，主要从事电机检修工作。

王 超(1985—)，男，工程师，主要从事电机检修工作。