大功率防爆高速同步電機無刷勵磁機冷卻系統(tǒng)改進

蒲 斌 石耕睿 楊福超 蔣 森

國家管網(wǎng)集團西部管道公司, 新疆 烏魯木齊 830013

0 前言

長輸管道天然氣壓縮機按驅(qū)動方式分為燃驅(qū)壓縮機和電驅(qū)壓縮機[1-2],近年來隨著供電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展及電驅(qū)壓縮機組(以下簡稱電驅(qū)機組)抗晃電性能的提升[3-4],電驅(qū)機組具備效率高、運維成本低、可靠性高的特點[5-7],長輸管道國產(chǎn)大功率防爆高速同步電機(以下簡稱國產(chǎn)同步電機)的應(yīng)用日漸廣泛[7]。2012年國產(chǎn)20 MW級電驅(qū)離心壓縮機組在西氣東輸管道高陵壓氣站開始工業(yè)化運行,之后國產(chǎn)同步電機開始逐漸應(yīng)用,不斷發(fā)展壯大[8-9]。

國家管網(wǎng)集團西部管道公司(以下簡稱西部管道公司)在日常運行中對所轄范圍內(nèi)17臺國產(chǎn)同步電機的無刷勵磁機(以下簡稱勵磁機)旋轉(zhuǎn)整流二極管(以下簡稱二極管)進行測試統(tǒng)計,大量二極管性能下降,多臺某13 MW國產(chǎn)同步電機運行過程中勵磁機中的二極管失效,造成電驅(qū)機組不能運行。對失效二極管進行拆解發(fā)現(xiàn)元件表面表現(xiàn)出明顯的鋁遷移現(xiàn)象,鋁金屬的電遷移服從Black公式[10-12],排除產(chǎn)品質(zhì)量因素外,可知是由于二極管工作環(huán)境溫度高降低了其平均使用壽命,最終導(dǎo)致二極管失效。

經(jīng)過對某13 MW國產(chǎn)同步電機勵磁機現(xiàn)場運行溫度的跟蹤測量可知,其旋轉(zhuǎn)整流盤外罩處運行溫度達到了110 ℃,旋轉(zhuǎn)整流盤運行環(huán)境溫度高，縮短了二極管的使用壽命。長輸管道電驅(qū)機組的使用環(huán)境按照危險區(qū)域劃分為2區(qū),按照GB/T 3836.1—2021《爆炸性環(huán)境設(shè)備通用要求》(以下簡稱GB/T 3836.1—2021)規(guī)定,同步電機的防爆溫度等級為T4,最高表面溫度為135 ℃。某13 MW同步電機勵磁機運行時表面溫度達到110 ℃,距離T4最高表面溫度差值為25 ℃,安全裕度較小。該勵磁機廠家規(guī)定勵磁機轉(zhuǎn)子溫升為小于等于90 K,結(jié)合路義萍等人[13]的仿真結(jié)果,估算現(xiàn)場勵磁機轉(zhuǎn)子絕緣處最高溫升超過了90 K,內(nèi)部溫升較高。

西部管道公司某13 MW國產(chǎn)同步電機現(xiàn)場應(yīng)用3臺,其勵磁機的運行溫度與其他廠家同步電機勵磁機的運行溫度相比,存在勵磁機運行溫度高的問題。目前，關(guān)于勵磁機冷卻方面的理論研究處于對實際運行溫度進行建模的階段,尚不能指導(dǎo)設(shè)計應(yīng)用。因此,為延長勵磁機二極管使用壽命,提升國產(chǎn)同步電機運行可靠性,深入分析西氣東輸二線輪吐支線某13 MW國產(chǎn)同步電機勵磁機運行溫度高的原因,提出了切實可行的改進措施并進行了現(xiàn)場應(yīng)用,對改進措施的應(yīng)用效果進行了分析,以期對國產(chǎn)同步電機勵磁機冷卻系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

1 勵磁機冷卻結(jié)構(gòu)及運行情況

同步電機分為主電機和勵磁機兩部分,勵磁機發(fā)出一定勵磁電流經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流盤整流后提供給主電機轉(zhuǎn)子。某廠家引進某國外廠家勵磁機原型后,經(jīng)過二次開發(fā)和優(yōu)化[14-16],用于西氣東輸二線輪吐支線和西氣東輸三線。該同步電機冷卻系統(tǒng)空氣流通路徑見圖1。

圖1 同步電機冷卻系統(tǒng)空氣流通路徑示意圖Fig.1 Schematic diagram of air flow path of synchronous motor cooling system

由圖1可見，主電機定子上安裝的軸流式風(fēng)扇隨主電機運行,使主電機內(nèi)空氣流通對主電機轉(zhuǎn)子、定子進行冷卻,空氣經(jīng)空水冷卻器冷卻后再次進入主電機轉(zhuǎn)子形成主電機系統(tǒng)的空氣循環(huán),同時一部分冷卻后的空氣流向勵磁機,對勵磁機冷卻后回流至主電機轉(zhuǎn)子,形成勵磁機系統(tǒng)的空氣循環(huán),從而對主電機及勵磁機進行冷卻。

勵磁機冷卻通風(fēng)示意圖見圖2。經(jīng)主電機換熱器冷卻后的冷卻空氣進入勵磁機后,一部分冷卻空氣對勵磁機轉(zhuǎn)子和定子進行冷卻,然后進入勵磁機出風(fēng)風(fēng)道。一部分冷卻空氣通過勵磁機機座和外罩之間的空間后對旋轉(zhuǎn)整流盤進行冷卻,然后經(jīng)過勵磁機定子進入勵磁機出風(fēng)風(fēng)道,勵磁機正壓通風(fēng)補充的空氣分別經(jīng)勵磁機兩端進入勵磁機出風(fēng)風(fēng)道,最終勵磁機出風(fēng)風(fēng)道內(nèi)空氣流回主電機。

圖2 勵磁機冷卻通風(fēng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of exciter cooling and ventilation

由于勵磁機旋轉(zhuǎn)整流盤在勵磁機機座內(nèi)部,無法直接測量其實際運行的環(huán)境溫度,路義萍等人[13]通過仿真得出了研究型號的勵磁機旋轉(zhuǎn)整流盤處環(huán)境溫度,雖然存在偏差,仍可以運用其仿真結(jié)果對旋轉(zhuǎn)整流盤處的環(huán)境溫度進行估算。測量可知,本文研究的某13 MW國產(chǎn)同步電機勵磁機在某壓氣站壓縮機運行過程中整流盤外側(cè)外罩溫度達到了110 ℃,結(jié)合路義萍等人[13]的仿真結(jié)果,分析可知旋轉(zhuǎn)整流盤處環(huán)境溫度達到了124 ℃,故高溫運行縮短了二極管的使用壽命,降低了其可靠性,最終導(dǎo)致二極管運行短時間內(nèi)失效。

2 勵磁機運行溫度高的原因分析

2.1 勵磁機冷卻風(fēng)量小

勵磁機剖面結(jié)構(gòu)見圖3。圖3中“A-A”為勵磁機旋轉(zhuǎn)整流盤側(cè)結(jié)構(gòu),定子擋板與定子繞組緊密接觸,對旋轉(zhuǎn)整流盤冷卻后的空氣可以通過定子、轉(zhuǎn)子間的氣隙,或者通過轉(zhuǎn)子引線與轉(zhuǎn)子支架間的空隙后對勵磁機轉(zhuǎn)子和定子進行冷卻,然后至出風(fēng)風(fēng)道；“B-B”為勵磁機軸承側(cè)方向的定子、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)子空氣槽間隙較大。冷卻旋轉(zhuǎn)整流盤的空氣存在以下問題:1)冷卻旋轉(zhuǎn)整流盤的空氣流經(jīng)的路線較長,冷卻空氣需要經(jīng)過整個勵磁機外罩后再次流入機座冷卻,流經(jīng)的路線長度數(shù)倍于直接對勵磁機轉(zhuǎn)子和定子進行冷卻的路線長度;2)冷卻旋轉(zhuǎn)整流盤的空氣風(fēng)阻較大,冷卻空氣至勵磁機出風(fēng)風(fēng)道的截面積較小。

圖3 勵磁機剖面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of exciter section structure

冷卻空氣路線長、流通風(fēng)阻較大造成對旋轉(zhuǎn)整流器冷卻的空氣風(fēng)量較小,旋轉(zhuǎn)整流盤冷卻效果不佳。

2.2 勵磁機冷卻空氣存在泄漏

勵磁機運行熱成像溫度觀測見圖4。由圖4可以看出,勵磁機進風(fēng)風(fēng)道兩端溫度較穩(wěn)定,溫差較小,而勵磁機出風(fēng)風(fēng)道兩端溫差較明顯,對圖1勵磁機進出風(fēng)風(fēng)道兩端溫度進行測量,結(jié)果見表1、圖5。進風(fēng)風(fēng)道兩端的溫差遠遠小于出風(fēng)風(fēng)道兩端的溫差,原因有:1)勵磁機出風(fēng)溫度高于勵磁機進風(fēng)溫度,出風(fēng)溫度與環(huán)境溫度的溫差大于進風(fēng)溫度與環(huán)境溫度的溫差,熱輻射交換較好;2)出風(fēng)風(fēng)道溫度與進風(fēng)風(fēng)道溫度差值越大時,出風(fēng)風(fēng)道兩端溫差越大,說明出風(fēng)風(fēng)量較小,遠小于進風(fēng)風(fēng)量,因此出風(fēng)風(fēng)道兩端溫差受環(huán)境溫度的影響遠大于進風(fēng)風(fēng)道兩端溫差受環(huán)境溫度的影響。

出風(fēng)風(fēng)道的風(fēng)量小于進風(fēng)風(fēng)道的風(fēng)量,表明勵磁機運行過程中外罩與環(huán)境之間存在冷卻空氣的泄漏,風(fēng)道不暢使進風(fēng)易向外泄漏而不是通過冷卻旋轉(zhuǎn)整流盤流至出風(fēng)風(fēng)道再流至主電機。

圖4 勵磁機運行熱成像溫度圖Fig.4 Thermal imaging temperature diagram of exciter operation

表1 勵磁機進出風(fēng)風(fēng)道兩端溫度變化情況表Tab.1 Exciter inlet and outlet air temperature change

圖5 勵磁機運行時溫度變化趨勢圖Fig.5 Temperature change trend during exciter operation

2.3 旋轉(zhuǎn)電機空水冷卻器效率低

IEC 60034-1:2017《旋轉(zhuǎn)電機 定額和性能》(以下簡稱IEC 60034-1)、GB/T 755—2019《旋轉(zhuǎn)電機 定額和性能》(以下簡稱GB/T 755)以及各大功率高速同步電機廠家對同步電機冷卻水、冷卻空氣溫度要求見表2。

表2 旋轉(zhuǎn)電機冷卻水及冷卻空氣溫度要求表Tab.2 Rotating motor cooling water and cooling air temperature requirements

結(jié)合中國自然環(huán)境,GB/T 755增加了額外說明,如有需要,冷卻水溫度應(yīng)不高于33 ℃,可見其對冷卻水溫度的要求在特殊情況下相較IEC 60034-1中的相關(guān)要求進行了放寬,但是這兩個標準對冷卻空氣溫度的要求一致,均為不大于40 ℃。實際運行過程中,某13 MW國產(chǎn)同步電機在冷卻水溫度小于25 ℃時,高負荷情況下并不能將冷卻空氣降低到40 ℃,冷卻水溫度在20 ℃時,高負荷下冷卻空氣溫度僅能下降到42 ℃,當溫度較高時,冷卻空氣溫度將明顯上升。路義萍[13-15]、張萬全[16]、孫維炎[17-18]等人對勵磁機仿真時均選用40 ℃冷卻空氣溫度,實際工作冷卻空氣溫度較40 ℃高,降低了勵磁機的冷卻效果,導(dǎo)致實際運行溫度高于仿真溫度,實際冷卻空氣溫度也不符合GB/T 755和IEC 60034-1的要求。

2.4 旋轉(zhuǎn)整流盤發(fā)熱的影響

勵磁機旋轉(zhuǎn)整流盤的發(fā)熱分為摩擦生熱以及二極管整流過程中的發(fā)熱,路義萍[13-15]、張萬全[16]、付余[19]等人對勵磁機仿真時,均認為勵磁機運行時旋轉(zhuǎn)整流盤的發(fā)熱較小可以忽略,但廠家在設(shè)計時如果未考慮二極管發(fā)熱的影響,會造成勵磁機冷卻設(shè)計風(fēng)量不足,實際運行過程中不能忽略二極管的發(fā)熱量。二極管整流過程產(chǎn)生的熱量可通過式(1)進行簡化計算。

PH=P1+P2+P3

(1)

勵磁機旋轉(zhuǎn)整流盤反向電壓功耗和漏電流功耗較小,計算時可忽略,該型號國產(chǎn)同步電機正常運行時勵磁機整流后電流為250～500 A,以正向壓降功耗為主。勵磁機旋轉(zhuǎn)整流盤整流回路為3個橋式整流電路并聯(lián),1個交流周期輸出6個半波,輸出電壓較穩(wěn)定,按照輸出勵磁總電流為400 A進行計算,可以簡化為任意時刻2個二極管進行400 A電流輸出,1個交流周期為2個二極管輸出400 A,旋轉(zhuǎn)整理盤的12個二極管正向壓降總功耗即為2個二極管400 A時的正向壓降功耗。二極管性能參數(shù)見表3。

簡化計算12個二極管熱損耗功率：

P=V×I×2=1.6×400×2=1 280W

(2)

表3 二極管性能參數(shù)表Tab.3 Performance parameters of rotating rectifier diodes

同步電機運行中二極管持續(xù)發(fā)熱對周圍空氣進行加熱,因此需要冷卻空氣持續(xù)對二極管進行冷卻,降低環(huán)境溫度。在實際使用過程中,存在二極管在勵磁機空載測試過程中由于冷卻不充分而過熱失效的問題。

3 勵磁機冷卻系統(tǒng)改進措施及應(yīng)用效果

勵磁機的梳齒密封不能完全防止冷卻空氣泄漏,結(jié)合前文分析,降低勵磁機運行溫度可以采取的措施是需要增加勵磁機的整體冷卻空氣量,增加對旋轉(zhuǎn)整流盤處的冷卻空氣量以改善旋轉(zhuǎn)整流盤的工作環(huán)境,降低冷卻空氣溫度。

3.1 勵磁機兩組風(fēng)道分析

該型號國產(chǎn)同步電機勵磁機設(shè)計階段設(shè)計了由勵磁機頂部進出風(fēng)和由勵磁機底部進出風(fēng)兩種冷卻方式,廠內(nèi)單獨對兩組冷卻風(fēng)道進行測試,勵磁機底部進出風(fēng)相較于勵磁機頂部進出風(fēng)冷卻效果差,因此出廠后在現(xiàn)場安裝過程中,僅使用了勵磁機頂部進出風(fēng)的冷卻方式。

文獻[15]在文獻[13]的基礎(chǔ)上,在勵磁機機座上增加了機座環(huán)板2,以減少勵磁機旋轉(zhuǎn)整流盤至機座環(huán)板1之間的漩渦,但是并未消除該區(qū)域漩渦,勵磁機底部冷卻空氣進風(fēng)風(fēng)道在機座環(huán)板1與機座環(huán)板2之間,勵磁機底部冷卻空氣出風(fēng)風(fēng)道在機座環(huán)板2與旋轉(zhuǎn)整流盤外側(cè)機座之間,如果使用勵磁機底部風(fēng)道,自然消除了該處的漩渦,有利于旋轉(zhuǎn)整流盤的冷卻。由于旋轉(zhuǎn)整流盤側(cè)的勵磁機定子擋板、轉(zhuǎn)子引線等結(jié)構(gòu)形成的風(fēng)阻,僅使用勵磁機底部風(fēng)道會造成勵磁機轉(zhuǎn)子、定子的冷卻空氣量小,冷卻效果差?？梢岳眯D(zhuǎn)整流盤側(cè)的勵磁機定子擋板、轉(zhuǎn)子引線等結(jié)構(gòu)形成的風(fēng)阻結(jié)構(gòu),自然將勵磁機頂部和底部兩組風(fēng)道進行隔離,使兩組風(fēng)道可以分別對勵磁機兩側(cè)進行冷卻,調(diào)整后冷卻空氣的路徑見圖6。

圖6 勵磁機使用兩組風(fēng)道時通風(fēng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of ventilation when the exciter uses two sets of air ducts

由于勵磁機存在定子擋板、轉(zhuǎn)子引線等結(jié)構(gòu),少部分冷卻空氣流通存在風(fēng)阻,但是仍可以流經(jīng)勵磁機轉(zhuǎn)子、定子并對其冷卻后通過頂部出風(fēng)風(fēng)道回流至主電機,大部分冷卻空氣對旋轉(zhuǎn)整流盤冷卻后經(jīng)過底部風(fēng)道回流至主電機。保留機座環(huán)板2,使勵磁機底部進風(fēng)由勵磁機旋轉(zhuǎn)整流器中間流入,提升旋轉(zhuǎn)整流盤的冷卻效果。因此正常運行過程中兩組風(fēng)道相互獨立,互相影響較小,而通過勵磁機底部風(fēng)道進風(fēng)的空氣流向頂部風(fēng)道可以解決路義萍等人[13]仿真結(jié)果中的靠近整流盤側(cè)轉(zhuǎn)子邊段鐵心溫度高的問題。

因此,可以同時采用勵磁機頂部與底部兩組風(fēng)道對勵磁機進行冷卻,勵磁機進出風(fēng)的風(fēng)道截面積將各增加1倍,冷卻空氣流量必然增加,在解決冷卻空氣旋渦、憋風(fēng)以及增加空氣流量方面的同時改善勵磁機的冷卻效果。

3.2 兩組風(fēng)道的應(yīng)用效果

將勵磁機底部風(fēng)道連接至勵磁機機座上,同時使用勵磁機頂部與底部兩組風(fēng)道后,對勵磁機運行溫度進行測量,具體統(tǒng)計見表4。勵磁機運行中測量的最高轉(zhuǎn)速為4 545 r/min,該同步電機達到額定負荷10.5 MW,此時勵磁機進風(fēng)溫度為43.3 ℃,旋轉(zhuǎn)整流盤外側(cè)外罩溫度為61.7 ℃,測量的最高溫度處是勵磁機底部風(fēng)道在底座上的溫度,為68.5 ℃,勵磁機各處溫度均大幅降低,同時,主電機定子溫度無變化。

表4 勵磁機運行溫度統(tǒng)計表Tab.4 Exciter operating temperature statistics table

根據(jù)路義萍等人[13]仿真結(jié)果旋轉(zhuǎn)整流盤外側(cè)外罩溫度92.2 ℃時,旋轉(zhuǎn)整流盤處環(huán)境溫度為106 ℃,正常運行時外罩溫度達到110 ℃時,旋轉(zhuǎn)整流盤處環(huán)境溫度估算為124 ℃。在同時啟用兩組冷卻風(fēng)道后,外罩溫度為62 ℃時,旋轉(zhuǎn)整流盤處環(huán)境溫度估算為76 ℃,旋轉(zhuǎn)整流盤處的溫度下降了48 ℃,有效降低了旋轉(zhuǎn)整流盤處的環(huán)境溫度,可以有效延長二極管的使用壽命。

圖7 勵磁機采用兩組風(fēng)道運行時熱成像溫度圖Fig.7 Thermal imaging temperature diagram when exciter operates with two sets of air ducts

勵磁機旋轉(zhuǎn)整流盤外側(cè)外罩以外的區(qū)域中,勵磁機外罩的溫度下降至55 ℃,有效降低了勵磁機整體運行溫度,遠低于GB/T 3836.1—2021中防爆溫度等級T4的溫度上限,也明顯小于T5的溫度上限100 ℃。采用兩組冷卻風(fēng)道運行時勵磁機熱成像結(jié)果見圖7。與圖4采用頂部勵磁機風(fēng)道運行時勵磁機熱成像結(jié)果比較可知:采用兩組冷卻風(fēng)道運行時勵磁機外罩溫度較低且整體溫度較均勻,未出現(xiàn)圖4中勵磁機旋轉(zhuǎn)整流盤處外罩溫度明顯較軸承側(cè)外罩溫度高的情況;勵磁機下部電機基礎(chǔ)溫度上升,勵磁機底部風(fēng)道有空氣流通;圖4中勵磁機外罩溫度與環(huán)境溫度的溫差為51.7 ℃,圖7中勵磁機外罩溫度與環(huán)境溫度的溫差為29.3 ℃,采用兩組冷卻風(fēng)道運行時外罩溫度與環(huán)境溫差明顯減小。

3.3 采用兩組風(fēng)道的影響分析

3.3.1 勵磁機冷卻空氣的變化及原因分析

對勵磁機頂部進出風(fēng)風(fēng)道兩端溫度進行測量,結(jié)果見圖8。采用兩組風(fēng)道時出風(fēng)風(fēng)道兩端溫差由圖5的13 ℃下降到6 ℃,進風(fēng)風(fēng)道兩端溫差均值由2 ℃下降為1 ℃,略有下降,表明勵磁機頂部風(fēng)道的進出風(fēng)空氣量均有所增加,其中頂部風(fēng)道的出風(fēng)空氣量較僅采用頂部風(fēng)道時顯著增大,對勵磁機定子、轉(zhuǎn)子的冷卻空氣量改善較明顯,勵磁機定子、轉(zhuǎn)子靠近勵磁機軸承端外罩處(圖2)溫度由68.9 ℃下降至47.6 ℃,下降21.3 ℃(圖4、圖7),勵磁機定子、轉(zhuǎn)子的冷卻效果明顯改善。由于冷卻空氣量的增大,勵磁機外罩溫度分布(圖7)較僅采用頂部風(fēng)道(圖4)時均勻,外罩內(nèi)部的溫度場較均勻。

即使頂部進出風(fēng)溫差值較小時,出風(fēng)風(fēng)道兩端的溫差也要大于進風(fēng)風(fēng)道兩端的溫差,如圖7熱成像結(jié)果所示,勵磁機頂部出風(fēng)風(fēng)道在與環(huán)境熱交換后靠近電機端的溫度低于勵磁機頂部進風(fēng)風(fēng)道溫度,當勵磁機外罩泄漏的冷卻空氣量不變時,對勵磁機冷卻后返回至主電機的冷卻空氣量增加,但是仍然小于勵磁機頂部進風(fēng)風(fēng)道冷卻空氣量。

圖8 勵磁機使用兩組風(fēng)道運行時溫度變化趨勢圖Fig.8 Temperature change trend when the exciter uses two sets of air ducts

勵磁機頂部風(fēng)道在冷卻空氣量增大后,進風(fēng)風(fēng)道兩端仍存在溫差,頂部風(fēng)道與環(huán)境存在熱交換,在進入勵磁機外罩前,與環(huán)境進行熱交換可以進一步降低冷卻空氣的溫度。而勵磁機底部進風(fēng)風(fēng)道與出風(fēng)風(fēng)道之間直接接觸,并在電機基礎(chǔ)內(nèi)流過,與環(huán)境之間熱交換較小,存在進出風(fēng)風(fēng)道之間熱交換的問題,造成進入勵磁機的冷卻空氣溫度升高,因此,底部風(fēng)道在結(jié)構(gòu)布局上冷卻效果較頂部風(fēng)道差。

3.3.2 對主電機溫度的影響

按照冷卻空氣量,路義萍等人[20]計算了該型號國產(chǎn)同步電機主電機冷卻空氣量,4 800 r/min時總冷卻空氣量為26.58 kg/s。路義萍等人[15]還對勵磁機冷卻空氣量進行了計算,僅使用頂部風(fēng)道時,4 800 r/min時勵磁機冷卻空氣量為0.498 kg/s,對空氣量加倍后為0.996 kg/s,占總冷卻空氣量的比例由1.9%變?yōu)?.7%,總冷卻空氣量比例小于4%,仍對主電機冷卻空氣量的分配影響較小。

按照功率進行計算,主電機輸出功率10.5 MW時,勵磁機功率僅使用10.5 kW,勵磁機功率為主電機功率的0.1%,電流的熱效應(yīng)發(fā)熱量較小,勵磁機總熱功率遠遠小于主電機熱功率。

從冷卻空氣量及熱功率進行計算,將勵磁機冷卻風(fēng)量加倍后,對主電機的冷卻功率影響較小,因此采用兩組風(fēng)道對勵磁機進行冷卻時,主電機定子溫度未見上升。

3.4 旋轉(zhuǎn)整流盤整流發(fā)熱影響的驗證

當僅使用頂部風(fēng)道時,不便對旋轉(zhuǎn)整流盤整流過程中的發(fā)熱進行分析和驗證,當電機在恒定轉(zhuǎn)速運行時,工況變化電機輸出功率也將發(fā)生變化,統(tǒng)計國產(chǎn)同步電機運行恒轉(zhuǎn)速4 244 r/min時,連續(xù)運行情況下不同功率下勵磁機運行溫度,結(jié)果見圖9、表5。勵磁電流下降后,勵磁機表面運行溫度均有所下降,摩擦生熱不變的情況下,定子、轉(zhuǎn)子電流發(fā)熱以及旋轉(zhuǎn)整流盤整流的工作熱量對勵磁機整體運行的溫度影響較明顯。

圖9 恒定轉(zhuǎn)速不同功率時勵磁機運行溫度變化趨勢圖Fig.9 Variation trend of exciter operating temperature at constant speed and variable power

表5 恒定轉(zhuǎn)速不同功率時勵磁機運行溫度統(tǒng)計表Tab.5 Exciter operating temperature statistics at constant speed and variable power

3.5 勵磁機冷卻風(fēng)道設(shè)計建議

由表4～5可知,勵磁機底部風(fēng)道出風(fēng)溫度與頂部風(fēng)道出風(fēng)溫度差值約20 ℃,顯然旋轉(zhuǎn)整流盤的發(fā)熱量要遠大于勵磁機的轉(zhuǎn)子及定子發(fā)熱量,因此勵磁機在冷卻風(fēng)道設(shè)計時宜考慮增大旋轉(zhuǎn)整流盤處散熱空氣量。

勵磁機頂部進出風(fēng)風(fēng)道溫差最大為6.4 ℃,對勵磁機定子、轉(zhuǎn)子冷卻后冷卻空氣的溫升較小(表4～5);勵磁機底部進風(fēng)風(fēng)道溫度與頂部進風(fēng)風(fēng)道溫度相同,而勵磁機底部出風(fēng)風(fēng)道溫度高于頂部出風(fēng)風(fēng)道溫度,最高達23.5 ℃(表5),冷卻空氣對旋轉(zhuǎn)整流盤冷卻后溫升幅度較大,遠大于頂部進出風(fēng)道的溫升,如果勵磁機采用一組冷卻風(fēng)道時,宜先對勵磁機轉(zhuǎn)子及定子冷卻后再對旋轉(zhuǎn)整流盤進行降溫,達到較好的總體降溫效果。

3.6 冷卻水溫度運行建議

結(jié)合IEC 60034-1和GB/T 755的要求,按照表4～5統(tǒng)計數(shù)據(jù),同步電機運行轉(zhuǎn)速及負荷較高時,即使冷卻水溫度較低,冷卻空氣溫度也不能達到40 ℃的要求,而同步電機運行轉(zhuǎn)速及負荷降低后,冷卻水溫度保持不變的情況下,冷卻空氣溫度同時下降。同步電機主電機及勵磁機由冷卻空氣進行冷卻,因此,影響同步電機運行環(huán)境的直接因素為冷卻空氣溫度,宜以冷卻空氣溫度為依據(jù)確定冷卻水溫度。

3.6.1 冷卻水溫度運行下限

在同步電機運行過程中,當同步電機負荷較高時,宜降低冷卻水供水溫度,以增強冷卻效果,滿足IEC 60034-1和GB/T 755對冷卻空氣溫度不大于40 ℃的要求,以改善電機工作環(huán)境。

電驅(qū)壓縮機站場冷卻水系統(tǒng)同時供給運行機組及備用機組系統(tǒng),其中壓縮機廠房內(nèi)溫度較高,空氣的露點溫度也較高,冷卻水溫度的下限不應(yīng)低于壓縮機廠房的露點溫度,防止冷卻水溫度過低引起供水管線外部及電機內(nèi)部結(jié)露,產(chǎn)生銹蝕。宜在壓縮機廠房增加露點溫度檢測,根據(jù)空氣露點控制冷卻水溫度的運行下限。

3.6.2 冷卻水溫度運行上限

在同步電機運行過程中,通常情況下冷卻水進口溫度不超過25 ℃,當同步電機負荷較小、冷卻空氣溫度不大于40 ℃時,進口冷卻水溫度可以適當提高,但不應(yīng)超過33 ℃,滿足冷卻空氣溫度的要求同時節(jié)約能耗。

3.7 同步電機運行建議

IEC 60034-1、GB/T 755及各電機生產(chǎn)廠家規(guī)定了冷卻空氣溫度,當因同步電機負荷較高、空水冷卻器換熱效率下降等原因造成冷卻空氣溫度不能達到規(guī)定值時,應(yīng)按照規(guī)定的冷卻空氣溫度時的溫升限值計算得到同步電機任意測點的溫度上限值,同步電機運行過程中的任意測點的溫度均應(yīng)與溫度上限值保持余量,確保同步電機運行時保留足夠安全裕度。由于勵磁機定子、轉(zhuǎn)子、旋轉(zhuǎn)整流盤等部件無實際溫度檢測點,應(yīng)通過勵磁機外罩溫度輔助判斷內(nèi)部最高溫度是否在上限范圍內(nèi)。

同步電機運行溫度影響勵磁機旋轉(zhuǎn)整流盤的二極管、壓敏電阻等器件平均無故障時間,影響定子、轉(zhuǎn)子的絕緣壽命,當同步電機冷卻空氣溫度較高時,不宜長時間在高溫環(huán)境下運行,否則會降低同步電機整體壽命。

4 結(jié)論

1)對某13 MW國產(chǎn)同步電機勵磁機旋轉(zhuǎn)整流盤運行溫度高的原因進行分析,發(fā)現(xiàn)由于其自身結(jié)構(gòu)的影響,旋轉(zhuǎn)整流盤處冷卻空氣量較小,勵磁機總體冷卻空氣流通不暢造成勵磁機運行溫度較高、旋轉(zhuǎn)整流盤處運行環(huán)境溫度高。

2)利用該型號勵磁機旋轉(zhuǎn)整流盤冷卻空氣流通存在風(fēng)阻的不利因素,同時使用該勵磁機頂部進出風(fēng)道與底部進出風(fēng)道時兩組風(fēng)道分別獨立對勵磁機兩側(cè)發(fā)熱部位進行冷卻,可以有效降低勵磁機運行溫度,改善旋轉(zhuǎn)整流盤的工作環(huán)境。

3)旋轉(zhuǎn)整流盤的發(fā)熱量大于勵磁機轉(zhuǎn)子、定子的發(fā)熱量,勵磁機冷卻空氣量的分配上,應(yīng)偏向于增加旋轉(zhuǎn)整流盤處冷卻空氣量,當采用一組冷卻風(fēng)道時,宜首先對定子和轉(zhuǎn)子進行冷卻后再對旋轉(zhuǎn)整流盤進行冷卻。

4)勵磁機冷卻通風(fēng)設(shè)計時,宜增大勵磁機的空氣量,增大后并不會造成主電機溫度上升。

5)通過同時采用頂部、底部兩組風(fēng)道對冷卻系統(tǒng)進行了改進,有效降低了勵磁機的運行溫度,延長了二極管運行壽命,提升了國產(chǎn)同步電機的運行可靠性。