王建刚，王艳武

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

某水轮发电机额定功率120 MW，额定电流5 578.2 A，额定转速115.4 r/min，基本数据如表1。

表1 水轮发电机基本数据

电站1#水轮发电机在A级检修吊出发电机转子后发现，52个转子磁极上、下端部的磁极压板表面均出现不同程度过热灼伤痕迹、绝缘漆脱落情况，如图1中线圈标示部分。

图1 磁极压板表面变色图

1 原因分析

从现场图片可以看出，发热部位为上下端转子磁极压板，叠片部分没出现过热变色现象，而且发热部位均为转子直轴偏右位置。该项目磁极压板采用的是导磁导电的金属材料实体结构，跟磁极的叠片结构不同。并且该项目磁极的阻尼环在磁极压板内。在有负序运行工况时，磁极叠片内由阻尼条产生涡流抵消负序电流的作用，而磁极压板处则直接在其表面感应涡流，引起发热。所以，初步判断该问题为气隙磁场谐波在磁极压板表面产生的涡流损耗而引起的过热。

为了使以上分析的原因有理论依据，我们建立水轮发电机二维电磁场有限元模型进行计算分析，如图2所示。为详细分析，将磁极压板表面分了两层，电机逆时针方向旋转。如图3所示，耦合电路模型在定转子绕组上施加额定电流，计算磁极表面损耗情况。

图2 磁极压板损耗计算模型

图3 电路耦合模型

如图4所示，采用场路耦合的时步有限元法对电机额定工况磁场进行了分析，可以看出，正常带载运行时，磁场沿逆旋转方向畸变，磁密较大位置的表面极易产生较大损耗。

图4 磁场分布

取磁极压板损耗云图，如图5所示，可以看出，损耗主要集中在表面，该部分损耗为2.3 kW。

图5 极靴表面损耗分布

经现场运行监测，其动态气隙最小仅为15 mm，针对此情况进行计算，结果如图6所示，表面损耗大小为3.5 kW。

图6 减小气隙后磁极压板表面损耗分布

采用Ansys有限元法进行磁极压板温升计算，根据压板表面风量及风速进行边界条件赋值，分别根据气隙为17 mm时，压板表面损耗为2.3 kW，气隙为15 mm时，压板表面损耗为3.5 kW情况进行热源加载。温升计算结果如图7所示。

图7 气隙为17 mm时的磁极压板温度分布

根据温升计算结果分析可知，当气隙为17 mm时，压板热点温度约为303.0 ℃；当气隙为15 mm时，压板热点温度约为444.3 ℃。

从以上分析的发热位置看，与现场实际发生的磁极压板发热位置一致。从温度数据上看，磁极压板该位置温度在303～444.3 ℃之间，完全可以引起表面油漆脱落。

2 问题处理

从上述分析来看，磁极压板位置的涡流损耗发热与该位置的气隙大小有关。当气隙增大时，磁极压板该位置涡流损耗将会减小。所以，在不变动磁极叠片部位气隙的情况下，可以通过增大气隙的方式减小磁场对磁极压板的影响。

将磁极压板处的气隙增大5 mm，压板处气隙为22 mm，则磁极压板表面损耗为0.86 kW，如图8所示。表面损耗大幅度减小，因此，调整气隙大小可有效减小磁极压板表面损耗。

图8 增大5 mm气隙后磁极压板表面损耗分布

将磁极压板处的气隙增大5 mm，压板处气隙为22 mm时，压板表面损耗为0.86 kW情况进行热源加载。温升计算结果如图9。

图9 气隙为22 mm时的磁极压板温度分布

根据温升计算结果分析可知，当气隙为22 mm时，压板热点温度约为143.4 ℃。该温度在发电机正常运行合理范围内。

从目前发电机状态来看，虽然磁极压板温度很高，但压板与磁极线圈间有10 mm绝缘托板，该发热没有对发电机造成实质上的影响。但始终是一个隐患，需要处理。由于可以通过垫片调整使转子外圆直径方向减少4 mm，增大气隙，减少磁极压板涡流损耗发热。由于目前状态不影响发电机的安全，可喷9130漆后运行。在以后大修时对磁极压板进行优化改造，增大该处气隙5 mm，完全解决该发热问题。

3 总结

水轮发电机磁极压板温升受损耗大小影响显著。根据温升计算结果可以看出，气隙增加至22 mm时，磁极压板热点温度可以得到显著降低。

设计人员应在上述问题中总结经验。当发电机气隙相对较小时，在发电机设计初期，就应事先对磁极压板进行涡流损耗发热分析，确保温度在合理范围内，以保证发电机安全稳定运行。