抽水蓄能发电电动机冷却方式研究

抽水蓄能发电电动机冷却方式研究

钱敏

（江苏国信溧阳抽水蓄能发电有限公司江苏213300）

摘要：随着电网容量的不断增大和用电需求的多样化，电网对安全性、稳定性、经济性和调节能力有了更高的要求，从电力系统的电力电量平衡和提高电网稳定性考虑，抽水蓄能发电电动机在现代电力系统中占有相当重要的位置。我国抽水蓄能发电电动机已逐渐从依赖进口，走上自主研发的道路，关键技术的创新正是大批将要兴建的抽水蓄能电站所用机组开发的基础。

关键词：发电电动机；通风系统；冷却方式

引言

抽水蓄能发电电动机的每极容量、转速等参数一般高于常规电机，相对地，通风系统的设计难度也很大。冷却方式是决定发电电动机参数及结构的重要因素，采用模拟试验与计算分析相结合的方法研究不同的冷却方式能够达到的冷却效果，不仅可以掌握电机内流场现象的特点，而且能够预期电机各发热部件的温度分布。

1模拟试验方法

在通风冷却系统内具有流体流动相似特点的通风模拟试验能够反映电机整体流场现象的特点，本文分别对旋转挡风板结构、固定挡风板结构及带风扇的固定挡风板结构进行了通风模拟试验研究。掌握了不同冷却方式下的风量及上、下风道风量分配，检验是否存在空气流动漩涡和死区等流场现象，从而论证了三种冷却方式的优缺点。

试验的理论依据是相似法则，利用量纲分析的方法决定相似准则并正确处理试验数据。量纲分析的目的之一就是找出影响过程的各独立物理量正确地组合成无量纲数的方法。

电机通风系统包括旋转的压力元件和各种形状的风阻元件，但它有以下几个方面的流动特性：

（1）风路全是由短的风道组成，截面多变化，因此局部阻力为主，沿程阻力很小只占10%左右；

（2）全部压头由转子产生，压头正比于转子周速平方；

（3）电机中转动部件中的气流产生很大的搅动作用，在风道中造成很高紊流度，深圳发电电动机的雷诺数约为4.29×107，处于充分紊流状态；

（4）由于封闭循环系统中空气周而复始，没有外来气流影响，边界条件可以自动建立。

根据相似法则，深圳发电电动机通风模型以几何相似为基础，尺寸比例选用1∶2.5，使得模型具有适中的尺寸，安装方便，满足试验测量要求。

2冷却方式研究

通风系统的设计不仅要冷却各发热部件，使其温升低于要求的温升限值，更要控制温度的不均匀度，以避免定子铁心的翘曲、绝缘脱壳等问题。在通风系统的设计中，由通风系统各部分尺寸的选择来决定风量的大小，通过结构的优化来改善流道的条件以降低流道的压力损失，对于通风系统局部挡板、密封结构的设计可以避免流体产生风堵、死区、涡流等现象，因此，通风系统的设计是提供高效冷却条件，较小通风损耗的基础。本文涉及的深圳抽水蓄能发电电动机应用通风模型试验对固定挡风板和旋转挡风板的结构进行了试验论证，为深圳发电电动机通风冷却系统的选择提供了依据。另外，还进行了带离心式风扇的固定挡风板结构的试验，考核风量的增加及在阳江、敦化等发电电动机上应用的可能性。固定挡风板结构的通风模型示意见图1；旋转挡风板结构的通风模型示意见图2；带风扇固定挡风板结构的通风模型示意见图3。

深圳发电电动机采用双路径向无风扇端部回风通风结构，冷却空气由转子支架、磁轭、磁极旋转产生的风扇作用进入转子支架入口，流经磁轭风沟、磁极极间、气隙、定子径向风沟，冷却气体携带发电机损耗热经定子铁心背部汇集到冷却器与冷却水热交换散去热量后，重新分上、下两路流经定子线圈端部进入转子支架，构成密闭自循环通风系统。结合国内已经投运或即将投运的发电电动机采用的通风冷却结构的特点，在保证冷却效果的前提下，充分考虑安装简单，维护方便，运行安全的要求。对抽水蓄能发电电动机转子磁轭采用通风沟、通风隙及整体磁轭圈结构进行分析论证后，确定深圳抽水蓄能发电电动机采用整体磁轭圈结构，未来的阳江等抽水蓄能机组也将采用此结构。为了增加磁极线圈的散热面积，改善磁极线圈的通风冷却效果，磁极线圈采用带散热匝的形式。抽水蓄能发电电动机的磁极一般为塔形结构，以提高过流面积的同时保证强度要求。

定子铁心通风沟是冷却气体的主要过流通道，对冷却定子铁心及定子线圈起着重要的作用。统计定子铁心通风沟的高度，主要有10mm、8mm、6mm、5mm、4mm几种，如果选择较小的通风沟高度，会因通风沟数量增加，使对流换热面积相应增大，但通风沟高度降低又会使流道的水力直径减小，流体在流道中的压力损失上升，风量随之减小。在定子铁心通风沟的设计上，结合定子各部分温度的计算结果和风量的分布来确定。

3模拟试验的结果

3.1总风量的测试结果

深圳发电电动机将运行在发电和电动两种工况，因此，深圳发电电动机通风模型试验是在发电工况和电动工况两种转向下进行的。各转速工况数据可以折算出真机的总风量。经试验数据折算，固定挡风板结构电动工况的总风量约为119.1m3/s，发电工况的总风量约为121.6m3/s，两工况的总风量相差约为2%。旋转挡风板结构电动工况的总风量约为118.4m3/s，发电工况的总风量约为121.8m3/s，两工况的总风量相差约为3%。带风扇固定挡风板结构电动工况的总风量约为186.7m3/s，发电工况的总风量约为186.3m3/s，两工况的总风量相差约为0.2%。

3.2上、下风道风量分配

固定挡风板结构与旋转挡风板结构的各项试验数据比较接近，所反映的规律基本一致，但上、下风道的风量分配略有不同，固定挡风板结构上、下风道风量分配比例为6∶4，旋转挡风板结构上、下风道风量分配比例为6.5∶3.5。带风扇固定挡风板结构的上、下风道回风较固定挡风板结构更强烈，比例为5.8∶4.2，规律相似。

3.3流场观察

从流场观察的丝线漂浮方向看，固定挡风板结构下风道回风更顺畅。旋转挡风板结构较固定挡风板结构更有种于气隙检查和检修。对于大容量机组，带风扇固定挡风板结构能够有效提高风量，弥补转子的风扇效应。

4试验数据与计算结果对比

通风冷却系统计算的目的，就是依据风速的大小，准确地选择表面散热系数等参数，确保进行温度场计算时的边界条件更加合理、准确，求出发电电动机各部分的温度分布情况，保证电机安全可靠运行。通过试验数据与计算结果的对比可以看出，计算结果与试验数据是比较吻合的，能够为温度场计算提供较为合理的依据。

5温度场计算

这里以深圳发电电动机为算例，对定、转子进行温度场计算。根据绝缘规范和相关结构建立计算模型，并施加边界条件。

转子温度场计算以转子半轴向为计算区域，磁极底部采用第一类边界条件，磁极线圈两侧施加第三类边界条件。极靴表面、线圈托板等施加第三类边界条件，根据转子外圆周边速度及物性参数计算散热系数。根据电磁计算得到的损耗值，对磁极线圈、极靴表面、阻尼条等施加热源。

以上分析说明定、转子温升均在合理范围内，满足技术规范中设备特性和性能保证要求。

结语

通过对不同冷却方式的试验论证，固定挡风板结构与旋转挡风板结构的通风系统产生的风量均能满足发电电动机通风冷却的需要，根据风量分配及流场的观察结果，建议深圳发电电动机采用固定挡风板结构。试验数据与计算结果对比，说明计算结果误差较小。基于固定挡风板结构的定、转子各部分温度分布的计算结果均在合理范围内。

参考文献：

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[2]李广德.散热系数模型试验报告[R].哈尔滨大电机研究所.

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