770 MW水轮发电机齿压板温度偏高的电磁和冷却分析

冉 帅，杨树锋，何雪芳，刘平超

（1.中国长江电力股份有限公司溪洛渡水力发电厂，云南 昭通657300；2.哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨150040）

0 前言

国内某巨型水电站安装有6台型号为SF770-48/15300的立轴半伞式密闭自循环全空冷水轮发电机组。在夏季发电高峰时期，6台机组的定子下端所有齿压板出现温度偏高现象（最高达104℃），较制造厂原设计最高温度超出约20℃。

针对温度普遍偏高的情况，技术人员重点分析端部电磁场和通风冷却两个方面的原因。通过运行实测计算不同工况下齿压板区域局部磁感应强度、齿压板温度、环境风温，优化有限元建模分析时齿压板近表层的分层处理，对比原设计阶段的磁感应强度及损耗，找出下齿压板温度普遍偏高的原因。

1 电磁和温度测量原理

1.1 磁感应强度测量原理

依据法拉第电磁感应定律，通过线圈切割磁力线产生感应电压，感应电压的大小与线圈匝数、穿过线圈的磁通变化率成线性关系。

1.2 温度测量原理

依据塞贝克效应原理，两种不同成分的导体两端接合成闭合回路，当接合点的温度不同时，回路中就会产生电动势。利用万用表测得自由端电势差为Δu1，环境温度由温度计测得，依据该型号热电偶查出此温度对应电势差Δu2，根据Δu1+Δu2查得测点实际温度。

2 齿压板运行参数测量过程

2.1 测点类型及分布

在靠近下齿压板拉紧螺杆附近布置2组（位置1和位置2成60°夹角布置）共10个磁感应强度和温度测点（图1），在端箍支撑绝缘块上设风温测点（测点 6，图 2）。

图1 磁场和温度单组测点布置

2.2 测量数据

2.2.1 线圈和热电偶测量计算数据

发电机端部磁感应强度、温度与机组的运行状态密切相关[1]，选取如下3种典型工况。工况一：有功功率700 MW，无功功率0 MVar；工况二：有功功率700 MW，无功功率100 MVar；工况三：有功功率700 MW，无功功率200 MVar。3种工况下各测点测试结果见表1。

图2 风温测点布置

表1 3种工况下齿压板磁感应强度和温度测量计算结果

2.2.2 红外成像测温数据

为验证热电偶的测量计算温度，同时采用红外成像仪对试验局部进行测温，见图3、图4。

图3 工况二下，位置1红外成像

图4 工况三下，位置1红外成像

3 齿压板温度偏高原因分析

3.1 有限元模型计算分析

研究表明，定子齿压板的磁密与涡流损耗在内径处较为集中[2]。和原设计建模比较，现阶段电磁和温度计算有限元建模时，网格划分更加细致，对齿压板近表层进行了分层处理，考虑了齿压板的集肤效应，从而得出更加准确的计算磁密和损耗。优化建模和原设计建模得到的额定工况下齿压板附近磁密云图见图5、图6。

图5 原设计的磁密云图

图6 现阶段建模优化后的磁密云图

测点6测得温度为56℃，将此温度作为现阶段建模的对流换热边界条件。利用优化的有限元模型，根据机组额定工况及3种试验工况电气运行参数，计算得出齿压板的损耗和最高温度见表2。对比可见，现阶段优化建模后，损耗值为设计阶段的1.55倍，压指最高温度增加了6.18℃。

表2 额定工况及优化设计后3种试验工况下齿压板损耗和温度

经分析，原设计阶段建模精度不够，导致原设计计算的机组运行温度偏低。机组投运后，出现实际运行温度较预期偏高的情况。

3.2 通风回路分析

如表2所示，和优化建模后得出的计算最高温相比，红外成像测得实际温度仍偏高约10℃。该机型需冷却损耗为8 834 kW，所需冷却风量为287 m3/s，考虑计算误差和安全裕度，设计有效风量为319.3 m3/s，流道风量分布见图7。

图7 机组通风冷却系统风量分布图

在实际安装过程中，旋转挡风板与定子内径间隙约为20 mm，设计值为10 mm。理论设计漏风量约为35 m3/s，约占总风量的10%。实际安装的计算漏风量约为66 m3/s，约占总风量的18%。

安装尺寸的偏差，引起通风冷却回路漏风量的增加，导致了齿压板温度进一步升高。

4 结束语

从运行测量数据和优化建模理论计算分析，与原设计计算相比，机组下齿压板附近磁感应强度和损耗较大、温度偏高，主要原因包括：

（1）齿压板结构件为金属非导磁材料，导热性能良好。原设计模型划分不够细致，导致原设计理论计算温度偏低。

（2）机组安装时，挡风板与定子间隙较设计值偏大，漏风量增加。漏出热风和冷风在定子齿压板附近交汇，减弱了齿压板附件的冷却效果。

机组齿压板为金属材料，无绝缘材料。针对其温度偏高实际情况及原因，运行最高温升未超出设计技术要求的59 K，并不会影响机组的安全运行。同时，结合目前运行状况，研究在磁极下方加装固定挡风板、在转子侧和定子侧增加圆弧过渡[3]板以减少漏风的方案。该方案可适当改善端部冷却效果，但会增加机组旋转部位的安全运行风险和设备维护工作量，故保持现结构不变。在机组运行中，特别是进相运行时，定子端部结构件的磁密明显上升，高于额定工况下的磁密值[2]，应重点关注端部结构件的温度，防止过热。