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1、水轮发电机转子温升计算及测量方法林善明（吉林松江河水力发电有限责任公司，吉林 白山 134500）摘 要：水轮发电机转子温升的计算多沿用传统方法，对中型低速水轮发电机而言，计算值与试验值存在偏差。现分析了产生偏差的 原因，提出了减小转子温升现场试验误差应注意的几个问题，论述了将试验工况折算为额定工况的方法，提高了温升试验值和设计值的 一致性。关键词：水轮发电机；转子温升；热负荷；散热系数0引言作为水轮发电机的重要指标，国家标准对转子绕组温升有 严格规定。水轮电机运行时，若转子绕组温升过高，将可能造成 匝间绝缘和对地绝缘的损坏。水轮发电机转子绕组为旋转部 件，无法安装常用的温度测量元件，发电机运
2、行时也无法像定 子绕组一样实时监测其温度，只能采用电阻法测量转子绕组的 平均温升。水轮发电机设计中，基本沿用了前苏联 20 世纪 40 年代提出的温升计算方法。近年来理论界提出了采用热网络法 和有限元法计算转子温度场的方法，但原理较复杂，在工程中 应用较少。实践证明，用传统方法计算转子绕组温升是可行的， 但对容量较小的中型低速机组来说存在一定缺陷，试验值与设 计值有时相差较大。水轮发电机尺寸大、工地叠片下线的机组 多，一般无法在厂内总装。由于冷却条件和发电机实际运行时 不同，间接法温升试验局限性较大，因此水轮发电机在出厂前 无法检验温升是否合格，故转子绕组温升设计计算的准确性就 显得非常重要。
3、水轮发电机在电站进行直接负载法温升试验， 电压、无功负荷很难调节到额定值，会影响转子电流和转子温 升的测量值。所以，如何将试验工况下的转子电流、温升折算至 额定工况，也是需要探讨和研究的问题。1转子绕组热负荷计算转子绕组温升是水轮发电机的重要性能指标之一，按国家 标准规定，允许温升为 90 K（B 级绝缘）和 110 K（F 级绝缘）。励磁电流在绕组中产生的铜耗是转子绕组发热的根本原因，即 Qf=If2R ，其中 I 为励磁电流，R 为励磁绕组直流电阻。fff水轮发电机一般使用裸铜线绕制的单排线圈，其极身绝缘、上下托板均为传热性能很差的绝缘材料。转子绕组主要依 靠侧面散热，其热流强度（即单位热
4、负荷）可由下式计算：q= Qf =QfS2PWf Lef af10-1式中，S 为磁极线圈总侧面积；af 为磁极铜线的厚度；Lef 为磁极线圈平均匝长；Wf 为磁极线圈每极匝数；2P 为水轮电机的 极数。对于 B 级绝缘的磁极线圈，其允许的最高温度为 130 ， 此时励磁绕组的直流电阻为：R =1.46 2PWf Lef 10-2f57af bf式中，bf 为磁极铜线的宽度。铜耗：2R =1.46 2PWf Lef I 210-2Qf =Ifff57af bf热流强度（热负荷）：I 210-2Q1.462PW Lb J 2q=f =f ef ff faf bf2PWf Lef af10-139
5、0S57这就是传统转子温升计算方法中，励磁损耗在磁极线圈侧表面产生的单位热负荷计算方法。其中，Jf 为转子电流密If度：Jf =。afbf的语言也得到空前丰富。现阶段，中小型 PLC 编程语言主要以梯形图语言为主，但也有更多新的编程语言逐步被开发，出现 了较为高级的 PLC 编程语言，主要表现为 BASIC 及 C 语言。 以 AB 公司研发的 PLC BASIC 模块为例，它能够运行 BASIC 语言和 C 语言。因此，PLC 将逐步走向多样化，实现编程语言的空前丰富。此外，为了适应不同需求，智能模块将不断丰富，同 时不同种类的模块将逐步研发面世。智能模块是一项功能部 件，整体以微处理器为基
6、础，并能与 PLC 主处理器同时运行， 有利于减少对主处理器的占用时间，整体提升 PLC 的使用，更 好地提升扫描速度及运行效率。智能模块的发展也能有效促进 PLC 的使用，提升其信息处理的能力，更好地发挥 PLC 的控制 功能，整体提升 PLC 运行效率和使用率。3结语综上所述，随着 PLC 功能的逐步提升，其指令也进一步丰 富和完善，并且被广泛应用于工业自动化控制中。PLC 功能中 也包含内部的 PID 运算指令，主要用于电动机调速，在大惯性系统控制中也能有效发挥作用。在当今工业控制中，PLC 作为一种控制的标准设备，在工业自动化控制系统中具有重要地 位，在机械制造行业也起着关键性作用。伴
7、随 PLC 功能的日渐 强大，其应用范围也将越来越广泛，在促进我国工业持续发展 方面有着重要的推动作用。参考文献1 耿俊梅，吕书勇.基于 PLC 的焦化备煤控制系统的抗干扰措施J.机电工程技术，2007（11）2 任慧，刘妍，胡高平.基于 PLC 的舞台电动吊杆综合保护系统 的研究J.北京广播学院学报（自然科学版），2005（3）3 王起.论 PLC、单片机、工控机在工业现场中的应用及选用方法J.广西轻工业，2011（1）收稿日期：2012-03-28作 者 简 介 ：游佳慧（1985），女，山东菏泽人，电气助理工程 师，研究方向：工业自动化控制。机电信息 2012 年第 18 期总第 336
8、 期45装备应用与研究Zhuangbe iyingyong yu Yanjiu线圈表面散热系数计算水轮发电机磁极线圈在工作状态下是旋转的，主要依靠线 圈表面和气流的热交换散热，其影响因素较多，尚无由理论推 导出的可靠计算方法，在工程中多用实验获得或采用经验系数（曲线）表示。水轮发电机的冷却介质是空气，其物理性质稳定。电机运转 时，线圈侧表面不同区域空气流动速度不同，且难以精确计算， 一般以转子表面圆周速度为参数，通过试验获得曲线或近似公 式。前苏联电力企业根据经验在 20 世纪 40 年代提出了计算水 轮电机转子温升公式，经过长期实践检验被证明是准确的：额定值相差5 以内时，按电流平方率修正，
9、即：2 If N f N=f 姨I姨2f式中， 为修正后的转子绕组温升；I 为 1 h 内按相同间隔读取fNf转子电流值然后平均的结果； 为与 I 对应的转子绕组温升；IfffN为额定的转子电流。3.4 计算实例笔者综合使用本文介绍的方法，对松江河水力发电有限责 任公司所属的几台水轮发电机设计值、电站试验值进行了比 较，数据如表 2 所示。表 2 水轮发电机设计值与电站试验值比较f = 3 bfJf（2.8+）21.6+ 姨V式中，V=D2nN/60，表示转子的圆周速度，其中，D2 为转子外径， nN 为电机额定转速；=Lt/ 表示定子长度和极距的比值；bf 为铜 线宽度；Jf 为转子电流密度
10、。令 bf 单位为 mm，可得：f = bfJf / 1.6+ 姨V 2390117（2.8+）则散热系数：1.6姨Va =+=a0+av117（2.8+） 117（2.8+）该系数由 V 和 确定，由 a（0 静止散热系数）、a（v 旋转散热系数）组成。当转子圆周速度较小时，a0 占有较大比例；而转子圆周速 度较大时，a0 影响较小。假设 =1，表 1 为转子不同圆周速度下， 静止散热系数和旋转散热系数的关系。表 1 不同转速下静止散热系数和旋转散热系数的关系4结论（1）水轮发电机转子绕组温升的传统计算公式用于中型低 速机型时存在较大偏差，其主要原因是散热系数选取不够合 理，建议选用通过实验
11、实测的散热系数。（2）对于额定励磁电 流而言，其理论值和试验值的偏差一般在 10%以内，为防止转 子温升过高，建议将额定励磁电流放大 10%。（3）电网的电压 总是有偏差的，直接负载温升测试很难实现额定工况，可使用 保梯电抗法进行额定工况推算，从而确定额定励磁电流和相 应的转子温升。（4）转子绕组冷电阻和相应温度的测定直接影 响到转子温升的测量，必须严格按标准规定测量并选用实际 冷态电阻值。3转子绕组温升现场测试的几个问题水轮发电机转子绕组温升的现场试验方法为电阻法，即测 量负载运行下转子绕组的热态直流电阻，根据直流电阻与温度 的关系确定绕组的平均温度。铜绕组的温升 f 由下式确定： -R f
12、 = R21 （235+1）+1-0R1式中，R2 为热态绕组电阻（实验刚结束时测量）；R1 为电机未工 作时的绕组电阻；1 为测定 R1 时线圈的温度；0 为冷却状态下 介质的温度。3.1 冷态电阻的测定在工程上，冷态电阻测量多采用直流压降法，转子静止时， 通过绕组的直流电流不能超过额定电流的 10%。应至少在 3 组 不同电流情况下测量，然后平均以获取冷态电阻值。3.2 转子电压和电流的测量转子电压应在滑环上测量，转子电流应在分流器的二次接线 端上量取，分流器与毫伏表之间的连接线应尽可能短，电压表、毫伏表必须采用直流表计，转子电压和电流的读数应同时进行。参考文献1 白延年.水轮发电机设计与
13、计算M.北京：机械工业出版社，19902 丁舜年.大型电机的发热与冷却M.北京：科学出版社，19923 E.维德曼，W.科伦贝格尔著.电机结构M.刘彦清译.北京：机 械工业出版社，19744 东方电机股份有限公司.水轮发电机现场试验报告R，20005 陈世坤.电机设计（下）M.北京：机械工业出版社，19836 沈祖诒.水轮机调节M.北京：水利电力出版社，1988 转子温度的修正进行现场温升测量时，转子电流难以达到额定值，需要使 用试验取得的温升值推算出额定转子电流。当试验转子电流和3.3收稿日期：2012-04-11作 者 简 介：林善明（1973），男，吉林九台人，工程师，研究方 向：电气试
14、验。46转子圆周速度/（m/s）静止散热系数 a0旋转散热系数 ava0 /av300.003 60.011 30.32900.003 60.019 60.18序号1#2#3#4#容量/MW4.03.0102.3额定电压/kV6.306.304.163.15额定电流/A4594011542516额定功率因数 cos0.80.80.90.8额定频率/Hz50506050额定转速（/ r/min）125125163.6214.3转子圆周速度（/ m/s）30.730.734.9832.39=Lt/1.2381.2382.971.08励磁 电流设计值/A429254422271实验值/A442253417286转子 温升设计值/K70515252实验值/K68.856.354.257.5