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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。
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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.
论文作者:杨颖,张强
论文发表刊物:《基层建设》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/18
标签：碳刷论文; 集电环论文; 水轮发电机论文; 定子论文; 温度论文; 机组论文; 回路论文; 《基层建设》2018年第2期论文;