大型水轮发电机冷却方式 杨颖 张强

大型水轮发电机冷却方式杨颖张强
摘要：随着当前社会经济的快速发展，人们对各类能源的需求量也快速增加，
其中，电能为主要的应用能源之一。

电能的应用促进了人类社会的进步，并提升
了能源的多元化应用。

在当前的发展中，水力发电为主要的类型之一。

水力发电
中的水轮发电机作为主要的生产设备，其运行状态与最终的电能生产量以及电能
生产的稳定性关系重大。

文章对大型水轮发电机冷却方式进行了研究分析，以供
参考。

关键词：水轮发电机；冷却方式；综合控制策略
1 前言
大型水轮发电机大多采用静态励磁系统，励磁系统输出励磁电流至碳刷，碳
刷与发电机集电环摩擦接触，从而将励磁电流送至发电机转子回路中。

发电机励
磁碳刷过热是发电机运行过程中的常见故障，若不及时消除，可导致被迫停机或
烧毁碳刷和集电环，直接威胁发电机安全运行。

发电机励磁系统中碳刷的运行和
维护技术属于传统技术，多年来始终被沿袭和使用。

鉴于此，为确保碳刷安全、
稳定、经济运行，应深入研究其过热原因，结合现场运行条件，采取可靠的技术
措施排除故障。

2 大型水轮发电机冷却方式简介
2.1全风冷冷却的原理
在特大型水轮发电机中，转子和定子铁心、定子线棒全部采用空气冷却的方
式称为全风冷冷却。

冷风经过转子磁轭和磁极的风道进入冷却器进行热交换，通
过冷却水冷却热风将热量带走，冷却后的冷风再一次进入发电机定转子风道形成
封闭式循环系统。

在机组运行中，需要对定子线棒、定子铁心、齿压板、转子绕
组等部位的温度进行监测，以保证水轮发电机组的安全运行。

2.2半水冷冷却的原理
转子和定子铁心采用风冷，其结构与全空冷方式的结构基本相同，风道的设
计略有不同。

定子线棒采用纯水冷却称为半水冷，定子线棒由导电的实心导线和
通水的多股空心股线组成，空心股线存在的目的是为了带走实心股线产生的热量。

空心股线中通入经过离子交换器处理过的纯水，吸收热量后的纯水进入冷却器与
二次水进行热交换；经过冷却的纯水经过处理后再次进入空心股线进行冷却形成
封闭的水冷循环。

2.3蒸发冷却的机理
转子、定子铁心和汇流环采用的风冷，其结构与全空冷方式的结构基本相同，定子线棒采用蒸发冷却介质冷却称为蒸发冷却，蒸发冷却介质从液态变化为气态，吸收线棒热量，并通过冷却水带走热量。

在发电机定子绕组的空心导线内充入低
沸点的液体介质，当定子绕组温度高于介质沸点时，介质由液态汽化变为气态。

在汽化过程中，介质吸收绕组导体产生的热量，通过动力，将蒸气导入冷凝器，
冷凝器的二次冷却水将热量带走；同时，蒸气变为液体，重新流入绕组导体内，
如此循环往复，实现了电机的蒸发冷却。

3 大型水轮发电机过热处理方法
碳刷发热不严重，碳刷温度高于100℃低于120℃时，需密切关注碳刷温度的变化情况。

碳刷温度发热严重，碳刷温度超过120℃时，测量温度较低和温度较
高碳刷的电流，处理电流小的碳刷，同时，使用红外成像仪监测碳刷温度的变化
情况。

具体处理方法如下:用红外成像仪、钳形电流表测量碳刷温度和电流，做好
数据记录。

温度低、电流小的碳刷为待处理碳刷；处理时，一人工作一人监护，
作业人员必须站在干燥的绝缘垫上，戴绝缘手套，身体不得触碰其他人员或接地；检查弹簧压力是否正常以及是否有卡塞现象。

如果弹簧压力不正常，更换新弹簧，如果碳刷卡塞，打磨碳刷侧面压痕；把120目的刚玉砂纸剪成长条，其宽度比碳
刷竖面略宽，将砂纸与取下的碳刷一起装上，进行集电环打磨，打磨时间约
20min；用红外成像仪测量碳刷温度，碳刷温度正常后，取下砂纸，回装碳刷。

如果集电环本身有缺陷，例如环面麻点、同心度偏大或者励磁电缆集中布置造成
分流不均匀，采用上述方法不能降低碳刷温度，只能停机后进行处理。

4 大型水轮发电机预防措施
在发电机岁修期间或者汛期之前，停机测量碳刷的回路电阻值，确保机组在
运行时碳刷动态回路电阻值基本一致，分流均衡。

测量碳刷回路电阻值应在滑环
清扫之后进行，滑环清扫和碳刷回路电阻值测量需要注意以下几个问题:检查集电
环表面是否有划痕、灼伤现象；用500V的绝缘表测量导电环对地、转子绕组对
地的绝缘电阻，并做好记录；更换异常碳刷，例如碳刷铜辫子有过热、断股现象
或碳刷长度小于原长度的1/3，更换的新碳刷要求与原碳刷型号、规格相同，更
换完后打磨碳刷接触面，要求碳刷与集电环的接触面大于碳刷横截面的3/4；检
查刷握，要求刷握与集电环表面应有3～4mm的间隙，且垂直正对集电环，否则
应调整刷座，并打磨碳刷接触面；检查弹簧压力是否正常，如果弹簧失去弹性或
者有裂纹等现象，应更换新弹簧；滑环装置清扫后，应再次测量导电环对地、转
子绕组对地的绝缘电阻，要求绝缘电阻不小于0.5MΩ，如果绝缘电阻不合格需进
行逐一排查；测量励磁电缆接头到碳刷的回路电阻，由于碳刷与集电环间的接
触电阻Ｒ刷与集在停机状态与运行状态下相差较大，因此测量碳刷回路电阻时不
需测量Ｒ刷与集。

回路电阻较大的碳刷应进行检查处理，检查刷座与集电环、铜
辫子与刷握间的接触面是否有锈蚀或其它附着物。

如果有锈蚀或其它附着物，用120目的刚玉砂纸打磨后用酒精布擦拭干净，安装好后再次测量回路电阻。

在岁
修期间，除了进行滑环清扫以外，还可以根据机组平时运行情况，在集电环上增
加导风叶片、适当增大碳粉吸收装置吸尘器的功率以及优化碳粉吸收装置的管路，加强滑环装置的散热，从而降低碳刷的温度。

5 水轮发电机组综合控制的策略
在水轮发电机组的运行中，涉及了较多的机组设备，此类机组设备的稳定运
行对于企业的稳定发展意义重大。

在实际发展中，为了有效地优化水轮发电机组
综合控制策略，实现设备运行效果的最大化，具体运行中多采用以下常见的综合
控制优化策略。

5.1优化调速系统
调速系统为水轮发电机组综合控制中的主要控制环节，通过优化调速系统，
控制水轮发电机的运行速率，可达到控制电能生产效率的目的。

在水轮发电机调
速系统优化中，主要采用PID技术进行运行速率的调节。

具体运行中调速器电液
在运行中由步进电机带动配压阀，从而实现对接力器的控制。

运行中，可将运行
参数通过数字信号的方式反馈，最终控制系统根据反馈参数进行调速器运行状态
的优化。

5.2自动化控制
在水轮发电机组综合控制系统的运行中，自动化控制为主要的优化技术之一。

自动化运行技术通过分析设备运行状态，逐步分析判断设备的运行质量，并根据
判断参数调整优化设备的运行现状，最终达到提升设备运行质量、保障电气设备
安全运行的目的。

5.3软件控制
软件控制属于前水轮发电机组综合控制落实中的主要应用手段之一。

在软件技术的应用中，先连接所有的运行机组设备，并控制运行机组设备的控制系统，通过软件调节的方式进行系统运行策略的优化和控制。

对于软件技术，可根据企业的生产作业要求输入基准参数，设备运行中通过不断地修正运行参数与基准参数，可提升运行质量，确保最优运行效率。

6 结束语
发电机励磁碳刷过热是发电机运行过程中的常见故障，若不及时消除，可导致被迫停机或烧毁碳刷和集电环，直接威胁发电机安全运行。

碳刷过热处理时，应先检查处理电流小、温度低的碳刷，因为其动态回路电阻值大，因而电流小、温度低。

温度高的碳刷其动态回路电阻值较小、电流大，如果先处理电流大的碳刷，势必引起其它碳刷的温度过高，造成恶性循环。

集电环表面变粗糙、滑环装置冷却风道通风不畅引起的碳刷过热，需要停机后才能彻底解决。

参考文献
[1]我国全空冷水轮发电机达世界领先水平[J].水电站机电技术,2008,(01):12.
[2]杨振先.龙滩水电站水轮发电机冷却方式的确定[J].水力发电,2006,(09):71-73.。