水轮发电机超出力的设计与计算(1)

水轮发电机超出力的设计与计算摘要：在水利工程中，水轮发电机出现超出力运行状态的情况比比皆是，但是在相关的理论研究成果中，并没有相关的可利用成果。

统计显示，发电机超出力影响因素，主要是在定子绕组上，其本质就是绝缘的热击穿，由此我们提出了发电机超出力的设计与计算方式，其理论基础来源于Montsiger定律，并且我们还对其相关的参数进行了进一步的探讨，也通过了相关的工程实践来对其进行验证，确定了它的合理性。

关键词：水轮发电机、超出力运行、绝缘寿命、设计、计算引言：水轮发电机的超出力，是指在一定的水文状况下，水轮发电机组的运行出力超过了发电机铭牌上所标示出的额定出力，超出力运行，是用户对发电机制造商所提出的基本要求，尽管在国际标准中规定了水轮发电机在事故状况下，只允许出现短时间的过电流或者超出限制时间的情况，但是在实际运行过程中，发电机的超出力关系到发电机组的运行系统，不仅仅是为了预防事故，并且也是为了能够满足水能利用与电力调度的要求。

不仅仅是基于对发电机过电流的考量，更是对运行温度的限制，它与定子电流之间形成绝缘的条件，与通风冷却系统之间都有着一定的联系。

而目前在工程实践中，超出力的问题，还没有得到规范化的处理，这也是让相关行业技术人员感到十分困惑的一个问题。

对发电机超出力的影响因素以及内在的逻辑进行分析与探索，是指导水轮发电机超出力设计与制造的关键所在。

1.影响发电机超出力与绝缘寿命的因素为了满足人们日常生产、生活的需要，化石能源发挥着重要作用，但是由于化石能源的不可再生性，在一定程度上促进了对风能、水能的开发，并且逐渐成为电力资源的重要开发途径，凭借资源的可再生性、清洁性、运行成本低廉等优势，水电行业迅速发展。

水轮发电机组作为水电厂重要的转换能量装置，机组的稳定性直接影响着水电厂的正常运行。

因此，对水轮发电机组超出力进行设计、分析与计算具有重要意义，并采取相应措施对其进行处理。

影响发电机超出力运行的因素会对发电机超出力运行造成影响的因素非常多，主要有机械强度、电场强度以及绝缘寿命等有关，通常情况下，水轮发电机的机械强度在设计时都会预留一定的裕量，裕量的大小最多可以达到百分之四十以上，因此，在通常情况下，机械部件是能够满足发电机的超出力运行要求的，因此，一般不会将这一因素作为控制条件，理论与实践研究都显示，发电机在超出力运行状态时，是不会对设备产生瞬间破坏能力的，而是通过不断的累加所造成的，从而对机组的使用寿命承诺书影响。

在水轮发电机中，使用的零部件不同，其使用寿命也是有却别的，对此我们也做了相关的调查，我们对国外十五个国家所使用的三百八十九台水轮发电机进行了统计，调查结果如图1表格所示。

图1：水轮发电机的零部件改造从图1的表格中我们可以看出，定子绕组是影响发电机使用寿命与超出力的重要零件，定子绕组损坏主要表现为绝缘被破坏。

水轮发电机组使用的是固体介质来实现绝缘条件的，其破坏方式主要为电击穿或者是热击穿。

在其他的运行条件都不变的情况之下，电击穿的强度较高，是热击穿强度的一百倍以上，因此，就绝缘损坏方面来说，热击穿是主要的控制因素，发电机绝缘结构的热平衡计算公式为：()()λδδλδπωεαγ2t 2e htg E 1094t 01122+-=⨯⨯-h t O m t O m （1） 公式（1）中：ω表示的是交流电角的频率；h 表示的是绝缘层的厚度；εϒ 表示的是绝缘介质的相对介电常数；δ表示的是发电机结缘结构的散热系数； E 表示的是发电机的电场强度；λ表示的是绝缘介质的导热系数；t g δ0表示的是介损；α2表示的是固体介质的温度；损耗系数为1/℃；t m 表示的是结缘介质的中心温度；t 0表示的是绝缘介质表面的温度。

从公式（1）中我们可以看出，绝缘介质左右两边的温度差都是用函数（t m-t 0）表示的，左边的温度差函数表示的是固体内部损耗所产生的热量与温度之间所形成的指数关系，而右边则是固体介质在经过热导向作用之后通过煤质所产生的热量与温度之间所形成的函数关系，如图2所示。

图2：在相同的电场条件下，介质发热、散热与温度之间的关系由图2关系图，我们可以看出在相同的电场或者是电压条件之下，介质的热平衡曲线图会出现两个热平衡点a 与b 。

但是这两个热平衡点之间也存在着差异，a 是稳定的热平衡点，而b 则是不稳定的热平衡点。

当介质在受到损耗发热影响之后，其中心温度会处于t a 与t b 之间，或者是小于t a ，这时，发电机会通过周围的媒介来进行散热，当介质的中心温度处于t a 时，固体介质不会受到热击穿干扰。

当介质的中心温度高于t b 时，发热量会一直高于散热量，介质中心的温度也会不断的上升，最终引发热击穿问题。

从物理因素方面来说，固体介质在受热之后，质点的热运动会逐渐剧烈起来，从而使介质产生大量的载流子，或者说是为载流子的迁移活动提供更好的条件，从而使电导增加。

同时介质在受热之后，还可能导致极化反应愈演愈烈，增加计划反应所带来的损耗。

这样一来，电导以及计划损耗所带来的热量，就会是介质的温度受到影响，出现上升趋势，在介质温度不断上升的过程中，介质的损耗也会逐渐严重，形成恶性循环。

在这样的运行状况之下，散热不良的条件，会是介质的热老化速度不断加快，并且还有可能会导致固体介质被烧焦，熔化，或者是出现开裂等问题，最终出现热击穿现象。

因此在选择固体介质时，一定要对其耐热性能进行严格的测定，并且严格控制工作温度。

如图3表格中所示的绝缘耐热等级，这是固体介质所能够承受的最高工作温度，在该温度条件下，介质的物理、化学、机械以及电性能都能保持稳定。

如果介质在高于此温度的工作条件下，长时间下去，介质的性能会受到极大影响，会加速介质的老化速度，从而使介质的使用性能与寿命受到严重影响。

图3：绝缘耐热等级电机绕组绝缘寿命的计算影响电机绕组绝缘寿命的因素有很多，比如热累积效应，电力作用、机械力、水分氧化以及各种射线和微生物作用的影响等。

这些干扰因素之间往往存在相互影响、相互促进第二关系，从而是电机绕组的加速老化。

但是从上文中我们可以分析出，这些因素的影响，只有在发电机运行处于限度之外是才能显现出来，并且不同的绝缘材料，所显现的老化情况是各有差异的。

绝缘材料能够承受大的电场强度以温度都是不同的，当电气设备处于限度的运行条件之中时，虽然还是会受到电、热等因素的干扰，但是依旧可以在规定的绝缘寿命期限内以正常的运行状态运行。

电机的绝缘寿命，可以通过Montsiger 定律来进行计算。

1002.T T -⎪⎭⎫ ⎝⎛-=k θθθ （2） 式中，T θ温度度θ时绝缘寿命 ，T 0为温度在标准极限温度下的绝缘寿命，一般取8年。

绝缘耐热等级为 A 、B 、F 时，K 值分别为 8，10，12；当θ-θ0(温度升高值 )分别等于8，10，12 时，T=t 0/2，即绝缘寿命降低一半。

事实上，发电机的绝缘寿命，取决于整个运行周期发电机温度与时间的分布。

为简化计算，可以典型年为代表，计算发电机的绝缘寿命。

将典型年一年 (8760h)中发电机温度和时间 段的对应关系作合理的划分，(θ1，t 1)…(θ2，t 2)… (θi ，t i )… (θn ，t n )，如图4所示：图4：发电机温度和时间段对应关系曲线其中i i i t 1t t '-+'=，单位为h ，()itt t dt t f i i10i +⎰=θ，当绝缘寿命为 1i t -⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∑=i T T θ（y ） （3） 或者1i k 0t .2T T 0--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=∑θθ（y ） （4）将式 (2)代人式 (4)并整理得 ：1i 0t .k 2T -⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-∑=θθ （5） 式中，h 表示小时 ，Y 表示年。

例 如 ，某 水 轮 发 电机 采 用 B 级 绝缘 ，根 据 其年 出力 曲线 ，可将 其 温度 和 时间 划分 为三 段 (0．5y ，100 ℃ )，(0．15y ，130 ℃ )，(0．35y ，120℃)；则其绝缘寿命为 ： 2135.010*********.010********.010********T 1≈⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯-+⨯-+⨯-=-（年） 2. 水轮发电机超出力的设计与计算电机绝缘寿命与温度限制的讨论如上文所描述的，导致水轮发动机损坏的主要因素是热击穿故障，而发电机在处于超出了运行状态时，发电机的热性能会朝着劣势的方向发展，导致发电机的温度上升，但是热破坏的影响效果是逐渐累积的，因此，发电机在处于超出力运行时，主要影响因素是电机绕组的绝缘寿命，电机的绝缘寿命时间，可以根据用户在招标文件所给出的数据来确定，如果招标文件中，对这项内容没有明确的指示，那么设计人员应该根据实际的情况来确定出一个科学、合理的数值。

很显然这个数值的确定，应该考虑到社会经济发展的背景，同时也需要考虑到电机机组中各个主要零部件的使用寿命，要与其相匹配。

如果这个数值定的过高，或者是过低，对于机组运行的经济性而言，都是十分不利的。

从我国水轮发电机的发展历史来看，应该选择二十五年到四十年之间为宜。

同时，我们应该面前，传统理论中，将电机温升的限定值作为额定出力值设计的依据，是相对不合理的，因为它忽略了对运行过程中，绝缘寿命影响因素的影响。

比如，某水电站，发电机采用的是B 级绝缘介质，而年利用时间达到了六千六百多个小时，按照Montsiger 公式来进行估算的话，发电机的绝缘寿命大约在二十一年左右，这一寿命期限是在太短，而在我国，大部分的工程中，基本都在设置温升限值时，预留出了较大的裕量，我国大多数电站所使用的发电机，绝缘材料都是“F ”级，温升也在“B ”级，这已经形成了一种国际惯例，这一现象充分说明了，不管是在国内还是国外，对于电机的绝缘寿命设计都是十分谨慎以及敏感的。

事实上，即使 F 级绝缘材料 ，从综合热效应出发， 目前用户和制造厂都没有将温度约定在B 级相应的限值，而是留了一个5K ～ 10K 的裕量，这是考虑到绝缘材料寿命的分散性和制造、安装工艺的影响。

例如取温度限值为120℃ ～ 125℃，并且设定表观温度与电机体内最高温度差值约 1O ℃ ～ 15℃，故允许表观温度约105℃ ～115℃。

水轮发电机超出力的设计与计算水轮发电机超出力运行，控制条件是绝缘寿命，但归根到底，是与电机绕组的温度与时间对应的分布有关。

根据水力发电的特点，宜将之与水文、水能及水利计算的时间分段相结合。

为简单记，按月温度分布来计算电机的绝缘寿命。

根据前面的讨论，将适于工程应用的电机超出力的设计与计算方法归纳如下：1) 确定电机的绝缘等级与绝缘寿命。

2) 得出典型年电机温度的月分布 (121y ，θi )， = (1，2，3，……12)，其中是根据电机每月的平均出力和环境条件，由电磁计算得出的电机绕组温度。