1、大型電機的損耗、發熱(f r)和冷卻摘要(zhiyo) 大型(dxng)發電機是電網的主要設備之一，是電能的直接生產者。大型電機的發展在整個國民經濟的發展中占有重要地位。從電力生產，電網運行、管理的經濟性和供電質量來看，電網中主力機組的單機容量應與電網總容量維持一定的比例，例如68%。單機容量越大，則單位容量成本下降，材料消耗降低，其經濟性能就越好。但增加容量勢必要增加電機的損耗，同時電機的發熱和溫升也會上升，如何降低損耗、加強冷卻系統，也就成為如何提高出力時必須解決的問題，本文著重在這幾個方面做一些分析和探討。關鍵詞 電機損耗；大型電機溫升；大型電機冷卻方式引言 電機容量的提高主要通過增大電

2、機的線性尺寸和增加電磁負荷兩種途徑實現。然而增大線性尺寸同時會增大損耗(因為電機的損耗是與線性尺寸的三次方成正比)，造成電機效率下降。而增加磁負荷，由于受到磁路飽和的限制也很難實現。所以提高單機容量的主要措施就在于增加線負荷了。但增加線負荷就同時會增加線棒銅損，線圈的溫度將增加，可能達到無法容許的程度。這時就必須采用強化冷卻技術，以提高散熱強度，從而將電機各部分的溫升控制在允許范圍內，才能保證電機安全可靠地運行。所以冷卻技術的進步是電機向大容量發展的保證。電機的冷卻方式分為氣冷和液冷兩大類。氣冷的冷卻介質包括空氣和氫氣。液冷的介質有水、油及蒸發冷卻所使用的氟里昂類介質及新型無污染化合物類氟碳介

3、質。汽輪發電機所采用的冷卻方式較為豐富，包括空冷、氫冷、水冷、油冷及蒸發冷，以下將從損耗、溫升和冷卻方式兩個方面來作展開。二、電機(dinj)的損耗2.1 關于(guny)電機(dinj)的損耗異步電機中的損耗主要由下列五部份組成：1.定子繞組中電流通過所產生的銅耗（PCu1）；2.轉子繞組中電流通過所產生的導體（鋁或銅）損耗（PCu2）；3.鐵心中磁場所產生的渦流和磁滯損耗（PFe）；4.由于風扇和軸承轉動所引起的通風和摩擦損耗（Pfw）；5.由氣隙磁場高次諧波所產生的負載雜散損耗（Ps）。2.2 降低損耗提高效率的途徑由于電機的損耗分布隨功率大小和極數不同而變化，因此為降低損耗，應著重對不

4、同功率和極數時的主要損耗分量采取措施： 1.降低定子繞組中電流通過所產生的銅耗（PCu1）:在電機繞組匝數不變的情況下,可加大導線線徑而減小線阻降低銅耗（PCu1）。 2.降低轉子繞組中電流通過所產生的導體（鋁或銅）損耗（PCu2）:通過控制轉子鑄造時的壓力，溫度以及氣體排放路徑等措施，減少轉子導條中的氣體，從而提高導電率,降低轉子損耗。如以鑄銅轉子取代鑄鋁轉子，轉子損耗可下降38 %。銅的導電率比鋁的導電率要高,用鑄銅轉子比用鑄鋁轉子所產生的損耗（PCu2）要小。 3.增加有效材料，降低繞組損耗和鐵耗（PFe）根據電機相似原理可知，當電磁負荷不變，并且不考慮機械損耗時，電機的損耗約與電機線性

5、尺寸的3次方成比例，而電機的輸入功率約與線性尺寸的4次方成比例，由此可近似得出效率與有效材料用量的關系，如下式所示:=1-1/(1-0)式中a電機(dinj)的尺寸比例系數 0原始電機(dinj)的效率從該式可見(kjin)，損耗與有效材料尺寸的線性增長成反比。在效率較低時，如在小功率電機中，增加材料，效率提高較大，而在效率已較高的大功率電機中，效率提高較小。為了使在一定的安裝尺寸條件下，獲得較大的空間，以使能置放較多的有效材料以提高電機效率，定子沖片外徑尺寸的確定就成為一個重要因素。為有利于散熱，降低溫升，采用較大的定子沖片外徑。由于漸近線的特點，當效率100 %時，a，因此當效率達到較高數

6、值，再單純通過材料的增加來提高效率，并不一定經濟合理，應通過技術經濟指標的綜合評價來確定。 4.采用較好的磁性材料和工藝措施以降低鐵耗（PFe）鐵心材料的磁性能（導磁率和單位鐵損）對電機的效率和其他性能影響較大，同時鐵心材料費用又是構成電機成本的主要部份，因此選用合適的磁性材料是設計和制造高效率電機的關鍵。在小功率電機中采用較高導磁率的電工鋼片將可使定子銅耗顯著下降，但在較大功率電機中由于空載電流所占比例已較小，材料導磁率提高的效果將不明顯。在較大功率電機中，鐵耗在總損耗中已占到相當大的比重，因此降低鐵心材料的單位損耗值將有助于電機鐵耗的下降。由于電機設計和制造的原因，電機鐵耗大大超過按鋼廠提

7、供的單位鐵損值所計算的數值，所以一般在設計時將單位鐵損值增加152倍來考慮鐵耗的增加。鐵耗增加的原因主要是由于鋼廠的單位鐵損值是按Epstein方圈法對條料試品進行測試，但在材料經過沖剪疊壓后，受到很大的應力使損耗增加，此外由于齒槽的存在引起氣隙齒諧波磁場在鐵心表面引起空載高頻損耗，這些都將導致電機制成后鐵耗顯著地增加，因此除了選擇較低單位鐵損的磁性材料外，尚須控制疊壓壓力和采取必要的工藝措施以降低鐵耗。由于沖剪應力對鐵耗影響較大，因此對沖片進行熱處理可降低10 %20 %的鐵耗，這對于高牌號和較薄的硅鋼片更為重要，因為這些材料對于應力的敏感程度遠大于一般的磁性材料。鑒于價格和工藝的因素，目前

8、在高效率電機的生產中，高牌號硅鋼片和薄于05mm的硅鋼片使用不多，一般仍采用低碳無硅電工鋼片或低硅冷軋硅鋼片。 5.縮小風扇(fngshn)降低通風損耗（Pfw）；對于較大功率的2、4極電機，風摩耗占有相當大的比例，如90kW2極電機風摩耗可達總損耗(snho)的30 %左右。風摩耗主要由風扇消耗的功率所構成。由于高效率電機的熱耗一般較低，因此冷卻用風量可減少，從而通風功率也可減少。通風功率約與風扇直徑的45次方成比例，因此在溫升許可的情況下，縮小風扇尺寸可有效地降低風摩耗。此外通風結構的合理設計，對提高通風效率降低風摩耗也是重要的。試驗表明，高效率電機大功率2極部分風摩耗較普通電機下降30

9、%左右。由于通風損耗下降幅度較大，而且不需增加多少費用，因此改變風扇設計往往是這部份高效電機所采取的主要措施之一。 6.通過設計和工藝(gngy)措施降低雜散損耗（Ps）。異步電機的雜散損耗主要是由磁場高次諧波在定轉子鐵心和繞組中所產生的高頻損耗。為降低負載雜耗可通過采用Y串接的正弦繞組或其他低諧波繞組來降低各次相帶諧波的幅值，從而降低雜耗。試驗表明，采用正弦繞組雜耗平均可下降30 %以上。此外可采用較多的定、轉子槽數以降低齒諧波幅值，從而使這部分諧波引起的雜耗下降。在工藝上可通過轉子槽絕緣處理工藝來降低轉子中的高頻橫向電流損耗，也可通過沖出氣隙工藝來改變表面高頻損耗。 電機的發熱(f r)和

10、冷卻旋轉(xunzhun)電機在能量轉換(zhunhun)過程中, 內部將同時產生損耗。損耗的存在,一方面直接影響到電機的效率和運行的經濟性: 另一方面, 由于損耗的能量最終轉化為熱能。使得電機各部分的沮度升高, 這將直接形響到電機所用絕緣材料的壽命, 并限制了電機的輸出, 嚴重時候能夠把電機燒段。因此, 一方面在設計時候要注意合理減少電機的損耗。另一方面要努力改善冷卻條件, 使熱量能有效盡快地散發出去。3.1電機內熱量的產生、傳導與散出電機中的熱量主要是繞組及其鐵心中的損耗。繞組和鐵心內部都會產生熱量, 繞組中的損耗與電流的平方成正比。鐵心內部熱量是渦流產生的。繞組中產生的熱量借傳導作用從銅

11、線穿過絕緣層傳到鐵心, 加上鐵心中產生的熱量, 一起由鐵心傳到電樞表面, 然后借助于對流以及輻射作用, 把熱量散發到周圍的空氣中。有熱傳導知識可知, 熱量都是從高溫部位傳向相對低溫部位。從這樣的熱傳導途徑可以得出這樣的結論, 繞組的沮度通常總是高于鐵心的溫度。若想降低繞組的溫升, 一方面要增強電機內部的傳熱能力, 另一方面應該增強部件表面的散熱能力。為使得電機繞組內部熱量比較容易地傳導到散熱表面, 應該設法選擇導熱性能好, 耐壓強度高, 絕緣性能好的絕緣材料。并要求在保證絕緣性能的情況下降低絕緣層的厚度。同時應該設法清除線槽內的導熱性能不佳的空氣層, 比如用油漆等來演充導線與鐵心的間除。這樣做

12、不僅可以改善導熱性能, 又可以增強電機的絕緣性能以及機械性能。電機(dinj)表面的散熱能力與散熱表面的面積, 空氣對冷卻(lngqu)表面的速度等因素(yn s)有關。一般是采用增大散熱表面的、改善表面散熱性能、增加冷卻介質的流動速度, 以及降低冷卻介質的溫度等措施來增加散熱能力。電動機運行時, 倘若溫度超過一定的值, 首先損壞的是繞組的絕緣, 因為電動機中的絕緣材料是耐熱性能最差的部分。如果電動機運行時工作溫度超過了絕緣材料允許的最高溫度, 輕則加速絕緣層的老化過程, 縮短電動機壽命, 重則絕緣層碳化變質, 也就損壞了電動機。所以就據此規定了電動機的額定容量, 電動機長期在此容量下運行時,

13、 應不超過絕緣材料所允許的最高溫度。所以電動機運行時工作溫度小于絕緣材料允許的最高溫度是保證電機長期安全運行的必要條件, 這也是按照發熱條件選擇電動機功率的最基本依據。3.2 電機發熱對電機運行方式的影響電動機的溫度是發熱與冷卻綜合作用的結果, 溫升和冷卻有需要一個過程。其溫升不僅取決于負載的大小, 而且也和負載的持續時間有關, 也就是電機的運行方式有關。一般來說, 電機的運行方式(亦稱工作制)按發熱情況分為三類，即連續工作制、短時工作制和斷續工作制。不同的工作制代表了不同的發熱和散熱的時間比例。實際上, 不管電動機運行在哪種工作制, 不管如何發熱和散熱, 只要能夠保證電動機運行時工作溫度小于

14、絕緣材料允許的最高溫度, 電機就不會被燒段。如果電機常年運行在嚴寒地區. 散熱條件比較好, 在功率的選擇環節上可以適當帶動比較大點的負載；如果電機運行在海拔高于1000 米的高原地區, 由于空氣稀薄, 散熱條件差, 電動機的功率應該降低使用。3.3大型汽輪發電機的冷卻(lngqu)方式汽輪發電機的冷卻方式經歷(jngl)了豐富的發展變化過程。從最早的空氣冷卻發展到氫氣冷卻 ，再到液體冷卻，繼而到目前研究的熱點蒸發冷卻。每一種冷卻方式都各有其優缺點。3.3.1 空氣冷卻 20世紀30年代末期以前，汽輪發電機基本上處于單一的空氣冷卻階段。空氣冷卻在結構上最簡單，費用(fi yong)最低廉，維護最

15、方便，這些顯著的優點使得空氣冷卻首先得到了應用和發展。隨著電網容量的增大，要求提高汽輪發電機的容量。為了提高容量，需要增加電磁負荷，導致電磁損耗增大，從而引起電機發熱量的增加，要強化冷卻就必須加大通風量，這必然引起通風損耗的增大，而通風損耗(含風摩耗)占總損耗的40%，這就使得電機的效率降低。另外，空氣冷卻的定轉子繞組的溫升也較高，影響絕緣的壽命。3.3.2氫氣冷卻 當電機的單機容量達到一定水平時，空冷技術在效率和溫升等方面逐漸暴露出不足，為了尋求更加有效的冷卻方式，人們發展了氫冷技術。從20世紀30年代末，容量大于50MW的汽輪發電機逐步過渡到氫氣冷卻。氫氣的比重小，純氫的密度僅為空氣的1/

16、14，導熱系數為空氣的7倍， 在同一溫度和流速下，放熱系數為空氣的1415倍。由于密度小，因此，在相同氣壓下，氫氣冷卻的通風損耗、風摩耗均為空氣的1/10，而且通風噪聲亦可減小。氫冷電機的效率提高了，而且溫升明顯下降。由于電機內氫氣必須維持規定純度，為此必須額外設置一套供氫裝置，給設計和安裝帶來了困難。另外，密封防爆問題始終是氫氣冷卻電機安全運行的一個隱患。 3.3.3 液冷 早在1917年，匈牙利岡次茨工廠就曾用變壓器油作牽引電機的冷卻介質。30年代后，又曾從事水外冷的研究，但長期以來沒有取得重大進展。 1956年，英國開始采用凈化水冷卻電機定子繞組。目前定子繞組采用水冷已相當普遍。液體的比

17、熱，導熱系數比氣體大，所以液冷的散熱能力較氣冷大為提高。水是很好的冷卻介質，它具有很大的比熱和導熱系數，價廉無毒，不助燃，無爆炸危險。通水冷卻的部件冷卻效果極為顯著，允許承受的電磁負荷比空冷、氫冷高，提高了材料的利用率。但是，由于水垢的產生及空心銅線被水中的氧離子氧化產生的氧化銅和氧化亞銅等沉積造成水路堵塞，繼而產生繞組局部過熱而燒毀。同時，水接頭及各個密封點處由于承受水壓漏水的問題將造成短路和漏電危險。近些年，各地的水內冷機組都發生了一種新的漏水現象，被稱為水力鉆孔。這是由于水中的微小顆粒在空心導線的轉彎或粗糙點慢慢沉積下來，由于受到水流的沖擊而以顆粒與空心線的接觸處為支點旋轉起來，日積月累

18、就會將這一點鉆穿。這種現象造成繞組漏水漏電，燒毀絕緣的危險。因此，水冷電機的堵和漏成為困擾水冷電機發展的致命弱點。全液冷電機的研制同樣受到了各國的重視。全液冷主要以油冷為主。這種電機的定子浸在油中，絕緣大為簡化。電機槽滿率高，材料消耗少，效率高于同容量的其他冷卻方式的電機。 但維護不方便，要考慮防火防爆問題，結構較復雜。3.3.4 蒸發(zhngf)冷卻為了解決水內冷電機水系統故障及水對銅材、絕緣的腐蝕問題(wnt)，同時繼承內冷方式有效帶走熱能的優點，美、日、英、俄、加等國相繼開展了將相變原理應用于大型發電設備中的研究，并取得了一定的理論成果，但至今沒有成熟的營運產品。中國科學院電工所從19

19、58年開始研究電機的蒸發冷卻技術(jsh)，目前在研制的各個方面均處于世界領先水平，經過40多年的研究，已有累計達570MVA的運行經驗。蒸發冷卻的發展經歷了三個階段：第一階段是低溫蒸發冷卻，它是將水氣冷中的水用沸點較低的介質來代替。該介質汽化后的飽和蒸汽溫度低于二次冷卻介質溫度，因此必須經過壓縮，才能與二次冷卻介質進行熱交換，冷凝為液體。第二階段是常溫蒸發冷卻，即是說在電機的允許溫升范圍內，冷卻介質沸點（約為55左右）太低沒有必要，而且，在高溫環境下，溫度低也容易造成熱量逆流，外部熱量往電機內部傳遞。因此考慮用常溫蒸發冷卻技術，去掉壓縮機，用泵來替換，提供壓頭克服各種阻力損失。第一、二階段兩種冷卻方式均屬于強迫循環方式。自70年代起，東方電機股份有限公司與中國科學院電工研究所共同開發了特別(tbi)適用于立式水輪發電機的蒸發冷卻技術。該技術是充分利用電機結構的特點以及液體汽化后密度變化引起壓差變化，形成自然循環，我們稱為第三階段常溫自循環蒸發冷卻。為