大型发电机冷却方式的发展及特点

大型发电机冷却方式的发展及特点一、概述大型发电机是电网的主要设备之一，是电能的直接生产者。大型电机的发展在整个国民经济的发展中占有重要地位。从电力生产，电网运行、管理的经济性和供电质量来看，电网中主力机组的单机容量应与电网总容量维持一定的比例，例如6～8%。单机容量越大，则单位容量成本下降，材料消耗降低，其经济性能就越好。电机容量的提高主要通过增大电机的线性尺寸和增加电磁负荷两种途径实现。然而增大线性尺寸同时会增大损耗(因为电机的损耗是与线性尺寸的三次方成正比)，造成电机效率下降。而增加磁负荷，由于受到磁路饱和的限制也很难实现。所以提高单机容量的主要措施就在于增加线负荷了。但增加线负荷就同时会增加线棒铜损，线圈的温度将增加，可能达到无法容许的程度。这时就必须采用强化冷却技术，以提高散热强度，从而将电机各部分的温升控制在允许范围内，才能保证电机安全可靠地运行。所以冷却技术的进步是电机向大容量发展的保证。电机的冷却方式分为气冷和液冷两大类。气冷的冷却介质包括空气和氢气。液冷的介质有水、油及蒸发冷却所使用的氟里昂类介质及新型无污染化合物类氟碳介质。汽轮发电机所采用的冷却方式较为丰富，包括空冷、氢冷、水冷、油冷及蒸发冷。二、汽轮发电机的冷却方式汽轮发电机的冷却方式经历了丰富的发展变化过程。从最早的空气冷却发展到氢气冷却，再到液体冷却，继而到目前研究的热点—蒸发冷却。每一种冷却方式都各有其优缺点。空气冷却20世纪30年代末期以前，汽轮发电机基本上处于单一的空气冷却阶段。空气冷却在结构上最简单，费用最低廉，维护最方便，这些显著的优点使得空气冷却首先得到了应用和发展。随着电网容量的增大，要求提高汽轮发电机的容量。为了提高容量，需要增加电磁负荷，导致电磁损耗增大，从而引起电机发热量的增加，要强化冷却就必须加大通风量，这必然引起通风损耗的增大，而通风损耗(含风摩耗)占总损耗的40%，这就使得电机的效率降低。另外，空气冷却的定转子绕组的温升也较高，影响绝缘的寿命。氢气冷却当电机的单机容量达到一定水平时，空冷技术在效率和温升等方面逐渐暴露出不足，为了寻求更加有效的冷却方式，人们发展了氢冷技术。从20世纪30年代末，容量大于50MW的汽轮发电机逐步过渡到氢气冷却。氢气的比重小，纯氢的密度仅为空气的1/14，导热系数为空气的7倍，在同一温度和流速下，放热系数为空气的～倍。由于密度小，因此，在相同气压下，氢气冷却的通风损耗、风摩耗均为空气的1/10，而且通风噪声亦可减小。氢冷电机的效率提高了，而且温升明显下降。由于电机内氢气必须维持规定纯度，为此必须额外设置一套供氢装置，给设计和安装带来了困难。另外，密封防爆问题始终是氢气冷却电机安全运行的一个隐患。液冷早在1917年，匈牙利冈次茨工厂就曾用变压器油作牵引电机的冷却介质。30年代后，又曾从事水外冷的研究，但长期以来没有取得重大进展。1956年，英国开始采用净化水冷却电机定子绕组。目前定子绕组采用水冷已相当普遍。液体的比热，导热系数比气体大，所以液冷的散热能力较气冷大为提高。水是很好的冷却介质，它具有很大的比热和导热系数，价廉无毒，不助燃，无爆炸危险。通水冷却的部件冷却效果极为显著，允许承受的电磁负荷比空冷、氢冷高，提高了材料的利用率。但是，由于水垢的产生及空心铜线被水中的氧离子氧化产生的氧化铜和氧化亚铜等沉积造成水路堵塞，继而产生绕组局部过热而烧毁。同时，水接头及各个密封点处由于承受水压漏水的问题将造成短路和漏电危险。近些年，各地的水内冷机组都发生了一种新的漏水现象，被称为水力钻孔。这是由于水中的微小颗粒在空心导线的转弯或粗糙点慢慢沉积下来，由于受到水流的冲击而以颗粒与空心线的接触处为支点旋转起来，日积月累就会将这一点钻穿。这种现象造成绕组漏水漏电，烧毁绝缘的危险。因此，水冷电机的堵和漏成为困扰水冷电机发展的致命弱点。全液冷电机的研制同样受到了各国的重视。全液冷主要以油冷为主。这种电机的定子浸在油中，绝缘大为简化。电机槽满率高，材料消耗少，效率高于同容量的其他冷却方式的电机。但维护不方便，要考虑防火防爆问题，结构较复杂。蒸发冷却近年来，美、日、英、俄、加等国相继开展了将相变原理应用于大型发电设备中的研究，并取得了一定的成果，但至今没有成熟产品生产。我国从解放初期就开始研究蒸发冷却，中国科学院电工所从1958年开始研究电机的蒸发冷却技术，目前在研制的各个方面均处于世界领先水平，并且已有数台机组投入运行，运行情况良好。蒸发冷却是利用冷却介质液体汽化吸热的原理来冷却电机的。蒸发冷却从原理上说是一种高效的冷却方式，汽化热大，所需流量小，绕组各部分之间温差小，因此成为目前冷却技术研究的新方向。蒸发冷却的研究经历了从低温蒸发冷却到常温蒸发冷却再到常温自循环蒸发冷却的过程。低温蒸发冷却技术使用沸点较低的介质，汽化后的饱和蒸汽温度低于二次冷却介质温度，必须经过压缩，使其饱和蒸汽温度高于二次冷却介质温度，才能进行热交换，冷凝为液体。在电机的允许温升范围内，冷却介质沸点太低没有必要。而且，温度低也容易造成热量逆流，外部热量往电机内部传递。因此考虑用常温蒸发冷却技术，去掉压缩机，用泵来替换，提供压头克服各种阻力损失。以上两种均属于强迫循环方式。后来的研究发现，利用电机结构的特点(例如：立式水轮发电机的定子绕组)，以及液体汽化后密度发生变化而引起压差变化，可以形成自然循环。蒸发冷却方式应用于汽轮发电机的显著优势是介质具有极强的电绝缘性，与其他冷却方式配合时能够扬长避短，特别是采用浸泡式蒸发冷却后加强了端部的冷却效果，改善了电晕和电磁屏蔽问题，使电机运行安全可靠，因此是一种极具发展前途的冷却方式。