閆迎，郝劍波

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

某航電樞紐電站位于嘉峪江流域下游河段，是一個(gè)以航運(yùn)為主兼顧發(fā)電的水資源綜合利用工程，總裝機(jī)容量4×125 MW。為全面衡量機(jī)組的性能指標(biāo)，確定發(fā)電機(jī)是否符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，需要在運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行效率測(cè)試。

發(fā)電機(jī)的效率計(jì)算公式可表示為:

式中 η為發(fā)電機(jī)效率(%);P為發(fā)電機(jī)輸出功率(kW);PΣ為發(fā)電機(jī)總損耗(kW)。

由式 (1)可知，若要確定發(fā)電機(jī)效率，必須準(zhǔn)確測(cè)量發(fā)電機(jī)的輸出功率及總損耗。發(fā)電機(jī)的輸出功率非常容易測(cè)量，但是發(fā)電機(jī)的總損耗測(cè)量比較復(fù)雜，工程中大多借助經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)其進(jìn)行估算，精度難以保證〔1〕，因此需要采用新的方法解決此類(lèi)問(wèn)題。文獻(xiàn)〔2〕介紹了一種利用量熱的方法測(cè)量發(fā)電機(jī)的總損耗和效率的方法，但該方法未對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部鐵芯、繞組等部位的損耗測(cè)試方法進(jìn)行說(shuō)明。因此，文章在利用量熱法對(duì)機(jī)組總損耗進(jìn)行測(cè)量的同時(shí)，借助發(fā)電機(jī)特定的運(yùn)行工況對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部各項(xiàng)損耗進(jìn)行分解計(jì)算，并對(duì)量熱法得到的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 量熱法測(cè)量總損耗的原理和方法

發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生的各類(lèi)損耗最終都將變成熱量，以“熱”的形式傳給冷卻介質(zhì)，使冷卻介質(zhì)溫度上升，因此可以通過(guò)測(cè)量發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的熱量來(lái)推算電機(jī)的總損耗，繼而得到發(fā)電機(jī)的效率。

1.1 發(fā)電機(jī)損耗確定

為測(cè)定發(fā)電機(jī)的總損耗，需要給發(fā)電機(jī)選定一個(gè)將其包在內(nèi)部的基準(zhǔn)表面，以保證其內(nèi)部的所有損耗都通過(guò)該表面散發(fā)出去，常選發(fā)電機(jī)的機(jī)殼作為基準(zhǔn)面。因此，電機(jī)總損耗PΣ可由機(jī)殼內(nèi)部損耗Pi和機(jī)殼外部損耗Po組成。前者主要由發(fā)電機(jī)鐵芯和線棒等部件產(chǎn)生，后者主要由電機(jī)外部輔助設(shè)備產(chǎn)生。Pi由2部分組成，包含熱量的形式由電機(jī)冷卻介質(zhì)帶走的損耗和以熱傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射、散失的形式穿過(guò)機(jī)殼到達(dá)外部的損耗;Po主要包括軸承摩擦損耗、碳刷電損耗、勵(lì)磁裝置損耗。

1.2 發(fā)電機(jī)損耗計(jì)算

1)冷卻介質(zhì)帶走的損耗

式中 P為冷卻介質(zhì)帶走的損耗(kW);CP為冷卻介質(zhì)的比熱(kJ/kg·K);Q為冷卻介質(zhì)的流量(m3/s);ρ為冷卻介質(zhì)的密度(kg/m3);Δt為冷卻介質(zhì)的溫升(K)。

2)對(duì)流和輻射帶走的損耗

因?yàn)殡姍C(jī)表面向周?chē)h(huán)境輻射的損耗數(shù)量很小，可忽略不計(jì)。測(cè)量時(shí)，可以只考慮電機(jī)外表面與周?chē)h(huán)境對(duì)流散出的損耗，其公式為:式中 P為電機(jī)外表面散出的損耗(kW);A為散熱表面積(m2);Δt為電機(jī)外表與環(huán)境溫度之差(K);h為表面散熱系數(shù)。

3)碳刷電損耗

式中 P為碳刷電損耗(kW);Δu為碳刷壓降(V);if為勵(lì)磁電流(A)。

4)勵(lì)磁裝置損耗

式中 P為勵(lì)磁裝置損耗(kW)，對(duì)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，該部分損耗主要包括勵(lì)磁變損耗、整流硅損耗、分流器損耗等;Ph為勵(lì)磁裝置輸入功率(kW);Pl為勵(lì)磁裝置輸出功率(kW)。

2 機(jī)殼內(nèi)部各項(xiàng)損耗的分解及計(jì)算

2.1 機(jī)殼內(nèi)部損耗分解

發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)機(jī)殼內(nèi)部損耗按性質(zhì)不同可以分解為以下幾部分:

1)風(fēng)摩損耗Pw

式中 Pfe1為定子電壓為U1時(shí)的鐵損(kW);Pfe2為定子電壓為U2時(shí)的鐵損(kW)。

3)定子銅耗Pcua

定子繞組中的銅耗可表示為:

式中 Pcua為定子銅耗(kW);I為定子電流(A);Ra為基準(zhǔn)工作溫度下定子繞組的直流電阻(Ω)，對(duì)于A，E，B級(jí)絕緣等級(jí)的繞組，基準(zhǔn)溫度為75℃，對(duì)于F，H級(jí)絕緣等級(jí)的繞組，基準(zhǔn)溫度為115℃。

4)轉(zhuǎn)子銅耗Pcuf

轉(zhuǎn)子銅耗可表示為:

式中 Pcuf為轉(zhuǎn)子繞組銅耗(kW);I為轉(zhuǎn)子電流(A);Rf為基準(zhǔn)工作溫度下轉(zhuǎn)子繞組的直流電阻(Ω)。

5)負(fù)載雜散損耗Ps

發(fā)電機(jī)的負(fù)載雜散損耗包括2部分，即負(fù)載在除鐵芯和導(dǎo)線之外的金屬件中引起的損耗和定子繞組中的渦流損耗。負(fù)載雜散損耗與定子銅損之和按定子電流的平方變化。不同電流下的定子銅損和雜散損耗存在以下關(guān)系:

在機(jī)組內(nèi)部，風(fēng)摩損耗Pw主要由通風(fēng)損耗和空氣摩擦損耗2部分組成，該損耗大小與機(jī)組負(fù)荷無(wú)關(guān)，在機(jī)組保持同步速的前提下，可以近似為常值。

2)鐵耗Pfe

鐵耗Pfe主要包括磁路中的鐵耗以及其它金屬構(gòu)件中的空載雜散損耗，它不隨機(jī)組負(fù)荷的變化而變化，大小與機(jī)組定子電壓有關(guān)。不同定子電壓下的鐵耗存在以下關(guān)系:

式中 PN(cua+s)為額定電流IN時(shí)的定子銅損及負(fù)載雜散損耗之和(kW);Pg(cua+s)為任意電流Ig時(shí)的定子銅損及負(fù)載雜散損耗之和(kW);PNcua為額定電流IN時(shí)的定子銅損(kW);PNs為額定電流IN時(shí)的負(fù)載雜散損耗(kW)。

上述各項(xiàng)機(jī)組內(nèi)部損耗中，風(fēng)摩損耗Pw和鐵耗Pfe不隨發(fā)電機(jī)負(fù)載的變化而變化，剩余幾項(xiàng)為可變損耗，具體大小與機(jī)組負(fù)荷有關(guān)。

2.2 機(jī)殼內(nèi)部損耗計(jì)算

由以上分析可知，通過(guò)選擇特定的發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況，利用量熱的方法可以測(cè)量相應(yīng)工況下的機(jī)殼內(nèi)部總損耗的大小，并借助機(jī)組運(yùn)行時(shí)的電壓、電流等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)殼內(nèi)部各項(xiàng)損耗的分解計(jì)算。以下選取3種運(yùn)行工況進(jìn)行測(cè)量:

1)發(fā)電機(jī)空轉(zhuǎn)運(yùn)行。用于測(cè)定發(fā)電機(jī)的風(fēng)摩損耗Pw，此時(shí):

2)發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行。用于測(cè)定定子鐵耗Pfe，此時(shí):

3)發(fā)電機(jī)短路運(yùn)行。用于測(cè)定負(fù)載雜散損耗Ps，此時(shí):

3 發(fā)電機(jī)損耗及效率實(shí)例計(jì)算

為了全面衡量被試機(jī)組的性能指標(biāo)，需要測(cè)試發(fā)電機(jī)在額定電壓、額定功率因數(shù)以及分別在70%，80%，90%，100%額定負(fù)載下的效率和各項(xiàng)損耗數(shù)值。

被試發(fā)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)為:額定容量142.9 MVA;額定功率因數(shù)0.875;額定電壓15750 V;額定電流5238 A;勵(lì)磁電壓340 V;勵(lì)磁電流1518 A;絕緣等級(jí)F/F;冷卻方式為鐵芯采用密封自循環(huán)全空氣冷卻，同時(shí)使用水對(duì)空氣進(jìn)行降溫，軸承部分使用油冷卻，對(duì)油則使用水進(jìn)行冷卻。

3.1 試驗(yàn)參數(shù)測(cè)量

試驗(yàn)時(shí)要求機(jī)組調(diào)至要求的負(fù)荷下，維持此工況穩(wěn)定運(yùn)行，待發(fā)電機(jī)各部分溫升穩(wěn)定后，測(cè)取發(fā)電機(jī)的各個(gè)參量。整個(gè)過(guò)程中需要測(cè)取的參量有:

1)電氣參數(shù)。主要有發(fā)電機(jī)有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流、定子電壓、定子電流、勵(lì)磁裝置的輸入、輸出電壓和電流。

2)溫度參數(shù)。發(fā)電機(jī)空氣冷卻器進(jìn)出水溫度、軸承冷卻器進(jìn)出水溫度、定子繞組溫度、鐵芯溫度、機(jī)殼表面溫度，周?chē)h(huán)境溫度。水溫可通過(guò)高精度熱電偶測(cè)取，繞組及鐵芯溫度可通過(guò)機(jī)組預(yù)埋的檢溫計(jì)測(cè)取，機(jī)殼表面及環(huán)境溫度可通過(guò)酒精溫度計(jì)測(cè)取。

3)流量參數(shù)。主要是發(fā)電機(jī)空氣冷卻器進(jìn)出水流量、軸承冷卻器進(jìn)出水流量。為了確保測(cè)量流量準(zhǔn)確，每根管道均在平直段取多次測(cè)量平均值作為最終流量結(jié)果。

3.2 特定工況下總損耗和各項(xiàng)損耗的確定

試驗(yàn)前利用空轉(zhuǎn)、空載、短路3種特殊的運(yùn)行工況，使用量熱和損耗分解計(jì)算的方法，測(cè)量得到機(jī)組內(nèi)部總損耗和各分項(xiàng)損耗的大小，結(jié)果見(jiàn)表1。2種方法得到的機(jī)組內(nèi)部損耗分別為1 187.58 kW和1 162.26 kW，誤差約為2.13%?？梢?jiàn)，通過(guò)量熱法求出的電機(jī)內(nèi)部損耗和理論計(jì)算有著很好的一致性，印證了2種方法的正確性。

表1 不同試驗(yàn)工況下發(fā)電機(jī)內(nèi)部總損耗和各項(xiàng)損耗的確定

3.3 特定負(fù)載條件下機(jī)組效率的計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求，需要確定發(fā)電機(jī)在額定電壓、額定功率因數(shù)，分別輸出 70%，80%，90%，100%額定功率時(shí)機(jī)組各部分的損耗和效率數(shù)值，利用前面方法，測(cè)算結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2可以看出，該機(jī)組在各個(gè)測(cè)試工況下的運(yùn)行效率都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，還可看出損耗主要集中在定轉(zhuǎn)子繞組和鐵芯部分，該些部分的損耗比重超過(guò)了60%以上，成為影響機(jī)組效率的主要因素。

表2 不同運(yùn)行工況下發(fā)電機(jī)效率測(cè)算

4 影響因素和誤差分析

1)在機(jī)組的各類(lèi)冷卻方式中，空氣冷卻器散走的損耗最多，占總損耗的80%以上，因此，這部分冷卻水的流量、溫度、比熱、密度等數(shù)值的準(zhǔn)確度和精度直接影響到最終計(jì)算結(jié)果，必須采取有效措施保證該些參數(shù)的測(cè)量精度。

2)由于機(jī)組發(fā)熱部位的不均勻，導(dǎo)致機(jī)組表面溫度不一致;受機(jī)組周?chē)獠吭O(shè)備散熱的影響，周?chē)h(huán)境溫度有高有低。這些因素影響了機(jī)組對(duì)流、輻射損耗的測(cè)量精度，為此可通過(guò)多次、多時(shí)、多部位測(cè)量機(jī)組或環(huán)境的溫度，取其平均值，以降低測(cè)試誤差。

3)在對(duì)機(jī)組內(nèi)部損耗進(jìn)行分解計(jì)算時(shí)，未考慮鐵芯飽和對(duì)鐵芯損耗的影響，同時(shí)由于定子諧波電流的存在，產(chǎn)生的諧波磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的損耗同樣未得到考慮。但在用量熱法測(cè)得的總損耗囊括了機(jī)組所有的能量損耗，不存在此類(lèi)問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某大型水輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行效率試驗(yàn)，介紹了使用量熱法計(jì)算發(fā)電機(jī)損耗和效率的實(shí)施過(guò)程，并簡(jiǎn)單分析了影響測(cè)量結(jié)果的可能因素。實(shí)例顯示，量熱法的測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確可靠，過(guò)程操作簡(jiǎn)單，可供今后同類(lèi)發(fā)電機(jī)效率試驗(yàn)借鑒。

〔1〕李法海，朱東起.電機(jī)學(xué)〔M〕.北京:科技出版社.2001.

〔2〕中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 5321—2005量熱法測(cè)定電機(jī)的損耗和效率〔S〕.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

〔3〕李建明，朱康.高壓電氣設(shè)備試驗(yàn)方法〔M〕.北京:中國(guó)電力出版社.2001.

〔4〕白延年.水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與計(jì)算〔M〕.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.1982.