发电机定子温度高原因分析及解决方案探讨

陈 辉

（陕西江汉水电勘测设计有限公司，陕西 西安 710016）

发电机定子温度高原因分析及解决方案探讨

陈 辉

（陕西江汉水电勘测设计有限公司，陕西 西安 710016）

陕西省泾惠渠渠首电站自投运以来，发电机一直存在定子温度过高的问题，经过十多年运行，机组效率降低、绝缘老化严重，而且定子温度过高的问题更加严重。解决好定子温度过高是影响电站增效扩容改造的关键，结合电站多年实际运行资料整理，从机组本身发热、通风散热通道及通风冷却系统等方面进行分析，提出发电机定子采用“密闭循环通风冷却”的方案。改造后定子严格控制制造质量、重新设计散热通道，重点考虑定子通风冷却系统的方式，并采用新型冷却器，从根本上解决发电机温度过高的问题，增加机组容量、提高设备效率以及运行稳定性、安全性，使电站改造达到预期效果。

增效扩容改造；水轮发电机；运行管理；分析

1 工程概况

泾惠渠渠首电站为水库坝后式电站，总装机容量为3×2500 kW，于1998年建成运行至今。电站安装3台立轴混流式水轮发电机组，为湖北白莲发电设备制造厂生产，发电机型号为SF2500-32/3300，容量3125 kVA，功率因数0.8（滞后），出口额定电压6.3 kV，额定电流286.4 A。发电机采用密闭循环通风冷却系统，在发电机定子机座上安装4台空气冷却器，冷却水压力0.15～0.20 MPa，冷却水总量40 m3/h，冷却水管路接技术供水系统。由于河道泥沙较多，电站技术供水采用高位水池和水泵循环供水方式，清水来源为泉水。厂内设清水池，由水泵将清水抽至高位水池，然后由高位水池自流至厂内技术供水总管。

电站机组存在震动较大、发电机定子温度过高及机组内油雾严重等问题，3#机问题尤为突出。自投产以来运行人员对3#发电机运行温度记录见表1。

表1 3#机组运行温度记录表

据表1可以看出，发电机温度逐年上升，近三年来温升较严重，最高温度达147℃。由于机组发热量过大且热量无法及时排除厂外，造成厂房内环境温度升高，夏季基本在40℃左右，使电气设备绝缘老化加速、运行人员工作环境恶劣，容易发生安全事故。

为此，电站曾于2000年对定子冷却系统进行改造，结合现有密闭循环冷却方式并增加外循环冷却方式。具体措施为：保持空气冷却器运行状态，同时在发电机上机架盖板上安装通风管道引至厂外，管道出口安装轴流风机抽排热风，并将上机架盖板掀开几块作为进风口。改造后发电机定子温度略有降低，但是效果不显著，近几年来温度升高明显。

2 原因分析

2.1 油雾严重

发电机组用油部位为各部轴承润滑油槽，但该机组油槽均为封闭式，油槽顶部只有观察孔和加油孔，正常运行中轴承甩油不会造成严重的油雾问题。但是当机组内部温度过高时，会造成油挥发形成油雾，在机组内部无法扩散而粘在设备表面。因此机组内温度过高是造成油雾严重的根源。

2.2 定子温度过高

引起定子温度过高的原因有机组本身发热量大、通风散热通道不畅、通风冷却系统故障。

（1）造成机组本身发热量大原因有：①定子电压过高，铁损增加，导致定子铁芯发热量增大；②负荷电流过大，定子绕组铜损增加，导致线圈发热量增大；③三相负荷电流不平衡或过负荷运行，导致机组发热量增加；④定子铁芯绝缘损坏，引起片间短路，造成铁芯局部的涡流损失增加而发热；⑤定子制造过程中铁芯压实度不够、线棒绝缘层不均匀、铁芯圆度差及后期组装、安装精度差等问题都会造成机组运行稳定性差而造成发热量大。

从多年运行来看，电站继电保护配置设有过电压保护、过电流保护及纵差动保护，而且机组运行正常，没有因为这些保护动作而停机，所以机组电磁回路正常，不会造成机组发热量过大。从设备制造情况来看，发电机定子确实存在铁芯叠片高度差别大、圆度差等问题，从而造成定、转子间气隙不均匀及机组震动大等问题，从运行温度记录表中可以看出，自投运以来机组温度就偏高，因此发电机定子制造质量不过关及机组安装精度差等问题造成机组本身发热量增加。

（2）通风散热通道不畅。由于3台机组都存在运行温度高的问题，电站就该问题咨询重庆赛力盟电机厂、杭发水电设备制造厂、云箭水电设备制造厂等4设备制造厂家，经分析判断，厂家一致认为“原发电机定子风道循环不畅，风道循环系统设计存在严重缺陷”。

（3）通风冷却系统故障。原机组采用的密闭循环冷却方式，①通过长期运行记录来看，空气冷却器进出水管路上的压力表读数正常，且电站在检修期间对管路系统进行清扫，不存在管路堵塞的问题。②供水管路上压力表读数在0.16～0.23 MPa，满足冷却水压要求。③根据运行记录，技术供水高位水池水温常年保持在18℃以下，水温满足要求。通过以上分析可知，空气冷却器水系统工作正常。

通过测量发现空气冷却器进出口水温差仅有1℃～5℃，由此可以判断，发电机内的热量几乎没有通过空气冷却器。而后期电站对冷却系统的改造，把原有的密闭循环冷却改为外循环冷却效果并不理想，也进一步验证定子风道循环不畅是造成机组定子温度高的根本原因。

3 解决方案

通过对发电机定子温度过高的原因分析，结合电站增效扩容改造方案，更换发电机组，提高机组制造质量外对定子风道重新设计。重点考虑定子通风冷却系统，比较了“管道通风冷却”和“密闭循环通风冷却”两个方案[1]。

采用管道通风冷却系统，可以将机组的热量通过通风管道排出厂外，新风由发电机盖板进入机组，既能使发电机散热降温，也可调节厂内空气。但与外界空气交换会使基坑内尘土较多，甚至有鸟虫进入管道的可能影响机组运行。经计算，增容后发电机通风量约6.5 m3/s，通风管道尺寸宽1.8 m高1.2 m，需对基坑及厂房外墙开孔进行铺设，土建工程量增加且施工难度较大。

采用密闭循环通风冷却系统，改造后发电机定子布设4台空气冷却器，计算冷却用水总量为48 m3/h，可利用现有冷却水系统，但增容后空气冷却器进出水位置发生变化，供排水管路需要改造。该方案基坑内空气不与外界交换，可保持基坑内空气清洁，工程量小。

通过比较，两种方案均可解决该问题，而且这两种通风冷却方式在实际运行中比较多。针对本电站增效扩容改造特点，尽量减少土建工程量[2]，尤其是对机坑及厂房结构的破坏，因此本次改造后发电机定子采用“密闭循环通风冷却”的方案。

4 结论

改造后发电机定子重新设计风道，并在机组制造过程中，定子铁芯及线棒采用性能优良的材料，绝缘等级达到F级，组装后采用整体真空浸漆绝缘，并进行整体运输，减少施工现场组装，提高机组制造质量，进一步降低正常运行时的发热量。

此外，重点设计定子空气冷却器的散热材料及结构形式[3]。改造后定子空气冷却器采用散热性能好的紫铜管，结构形式采用整体刺片式。原空气冷却器结构形式为单管式，即直接将铜管做成绕簧式，这种结构形式通风阻力小但散热面积小，散热效果较差。整体刺片式结构，采用整张铜片按设计孔距冲片，降低铜片厚度并做成波浪形以增加散热面积，在相等的散热面积下铜片的间距增加，通风阻力降低，散热效果明显提升。

定子增容改造后，提高制造工艺减少机组发热、重新设计风道使热量排出畅通无阻；并采用整体刺片式空气冷却器增强散热，从根本上解决发电机温度过高的问题。改造后定子预期温度约90℃，比改造前大幅降低，从而改善设备运行环境及人员工作环境，提高电站运行的稳定性及安全性。

[1]GB/T27989-2011，小型水轮发电机基本技术条件[S].

[2]GB/T50700-2011，小型水电站技术改造规程[S].

[3]上海电气科学研究所，中小型电机设计手册[S].机械工业出版社.

TV738

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1673-9000（2017）05-0162-03

2017-03-15

陈辉（1982-），男，陕西西安人，工程师，主要从事水利水电工程设计工作。