空冷式汽轮发电机并网时的应急干燥方法

魏高峰

（武钢能源动力总厂热力厂，湖北武汉 430083）

【摘 要】汽轮发电机在开机并网时，经常由于定、转子绕组轻度受潮而导致绝缘不合格，延误开机并网的正常进行。探讨了一种应急干燥方法，解决闭式循环空冷汽轮发电机在开机并网时因绕组干燥问题而导致的绝缘不合格，实现顺利开机并网。

【关键词】空冷发电机；干燥；空冷器；湿度；温升

1 前言

与水冷、氢冷等方式相比,闭式循环空冷汽轮发电机具有结构简单、安装方便、辅助系统少、运行可靠等优点，在中小功率等级机组中普遍采用，尤其是在冶金行业等各类余能余热再回收工程中，大量装备有中小功率风冷式汽轮发电机，以适应频繁开停机的工况要求。

由空气介质冷却的工艺特点所决定，空冷发电机的定、转子绕组绝缘与空气湿度和绕组温度密切相关。结合空冷机组的结构特点和运行工况，在开机并网时，利用汽轮机的高速运转，带动发电机内部空气做高速循环运动，循环空气通过风道和气隙贯通整个定、转子铁芯及绕组，并由此产生空气摩擦升温效应，进而形成一定的热风高速循环作用来实现干燥除湿，以此解决开机并网时绕组轻度受潮而导致的绝缘不合格，从而实现顺利开机并网。

2 发电机空冷构造和绕组受潮问题

2.1 空冷构造与特性

闭式循环空冷发电机虽然在功率等级，通风方式、冷却风道与气隙的设计上存在较大差异，但主要的系统构成和工艺原理基本相同。一般由风冷室、空气冷却器、转子风扇、循环分配风道、铁芯和绕组气隙、补风风门、气封等组成。

①风冷室一般位于发电机下部，是发电机本体以外的主要循环风道，用于安装空冷器、补风风门和补风过滤器。②空气冷却器是发电机热空气与外部进行热交换的关键部件，空冷器内部管道接通循环冷却水，用于冷却发电机内部循环空气。③转子风扇是循环空气的动力来源，用于驱动发电机内部空气做高速循环流动。④各型发电机本体（定、转子）的循环风道流通方式虽然存在较大的设计差异，但作用均是通过其内部的空气介质高速循环，带走绕组及铁芯的热量，实现冷却的目的。

冷却过程为：转子风扇（冷风）→定转子绕组、铁芯（热交换成热风）→空气冷却器（热交换成冷风）→转子风扇。

目前，在径向交迭通风和轴向分段通风基础上发展出的各种新型冷却风道与气隙，使定、转子的空气换热面积进一步增大，风量分配和风速更加均匀，不仅提高了冷却效果，而且有效地降低了风阻损耗。但不论何种通风结构，沿程风阻损失形成的一定通风损耗是不可避免，而且这部分损耗基本上是以空气摩擦热量的形式存在。

因此空冷式发电机的鲜明特性为：内部定、转子空气流通面积大，循环空气能通过微气隙孔深入铁芯和绕组内部，高速空气流具有摩擦生热效应。

2.2 绕组轻度受潮的原因与影响

与水冷、氢冷等形式相比，空冷式发电机绕组受潮的原因比较单一，均为空气相对湿度过高。造成空气相对湿度过高的原因包括：天气原因（梅雨季节）、发电机内部凝露、风冷室湿度大等。由空气湿度过高造成的绕组受潮，其特点表现为：程度较轻，恢复较容易。空气水分子在热态环境下容易游离蒸发，吸附力降低，在冷态环境下，不易游离蒸发，易凝露吸附。因此当发电机处于运行及热态时，即使在梅雨季节，绕组也不易受潮。当机组在冷态，尤其在停机时间较长后，绕组往往容易受潮。

定子和转子绕组在受潮到一定程度后，直接的后果就是导致绝缘电阻参数大大降低。由空气相对湿度过高造成的绕组受潮虽然程度较轻，但对绝缘参数的影响却非常明显。

根据我厂不同型号的多台空冷机组开机故障统计发现，在梅雨季节停机超过24 h或机组大修后，发电机定、转子绕组绝缘均呈现明显下降。实测多台 10 kV 机组定子对地绝缘电阻最低降至 1.5 MΩ 左右。

3 应急干燥方法与特性

3.1 应急干燥方法的作用

发电机绕组的轻度受潮故障发生较为频繁，由于其故障现象不太明显，一般是在开机并网前的例行绝缘检查中才会发现。

尤其是频繁开停的中小功率机组，在正常停机以后的重新开机过程中，在临并网前的绝缘检查时才会发现绕组受潮、绝缘不合格。而常用的干燥处理方法如:直流电源加热法、短路电流加热法、红外线加热法等等，均需要专用干燥设备和一定的检修时间，无法满足并网的应急需要。

针对并网的应急需要，结合空冷发电机的构造和工况特点，利用设备本身的特性，在并网前的发电机内部制造出一定的热风循环，形成热风除湿效应，以此解决开机并网时绕组轻度受潮而导致的绝缘不合格问题，实现及时顺利并网。

3.2 应急干燥方法的原理与操作

应急干燥的基本原理就是利用机组并网前的高速运转，带动发电机内部空气做高速循环运动，使循环空气高速贯通整个定、转子铁芯及绕组，并产生空气摩擦升温效应，进而形成一定的热风高速循环，使绕组吸附的水分子发生游离蒸发。形成干燥除湿作用的两个必要条件为：高速循环空气和一定的风温。

我国常用的空冷发电机转子风道入口风速为 20～90m/s,定子风道风速为 10～20 m/s，风道中部风速为5～10 m/s，完全能够满足干燥的需求。

具体作业时，根据现场空气相对湿度的数据，绕组受潮程度以及发电机具体构造。在控制机组转速以合理调节风速，在转子励磁退出状态和机组一二次回路设备均断开的条件下，可分四步实施操作。

（1）湿度检测与比较。检测发电机定、转子绝缘电阻并记录。使用湿度计检测发电机内部空气和外部空气相对湿度参数，并比较两参数大小。当发电机内部空气湿度大于外部时，必须实施换流通风。为方便操作，发电机内部空气湿度的检测可在风冷室进行。湿度计采用高灵敏度的电子表以提高检测精度。

（2） 发电机内外换流通风。在机组转速低于500 r/min 条件下，打开补风风门，打开发电机本体上部通风孔。然后提高机组转速至 2000～3000 r/min（高于临界转速）实施换流通风。换流通风过程中密切检测发电机内外湿度参数，当内外湿度参数相同后，可延续通风 30 min，而后降低转速，关闭补风风门和上通风孔。没有通风孔设计的压入式径向通风机组可以打开机组两端的窥视孔实施换流通风。换流通风结束后，检测定、转子绝缘电阻，观察阻值是否提高。如果变化不大，则进行提高风温操作。

（3）提高发电机内部循环风温。关闭空冷器冷却水，提高发电机转速至额定转速 3000r/min。检查记录发电机循环风温，检测绕组绝缘电阻。待机组运转30 min后再次检查记录风温，通常会有 2～8 K 的温升，检测绕组绝缘电阻会有升高。在此注意，发电机的通风损耗系数与循环空气温升是成正比，风损系数越大的机组温升越高，升温越快，因而不同机组的温升在幅度和速度上会略有差异，另外环境温度和机组状态也有一定影响，但这些影响是次要因素。在关闭空冷器冷却水，空气密闭高速循环的工况下，空气温度必然上升。

机组除湿干燥的运行时间长短由两方面因素决定，一是汽轮机低负荷工况允许运行的时间，二是干燥与绝缘恢复情况。一般轻度受潮故障在经 30～60min 运行后就会取得明显效果。如果效果不明显，则必须排除可能存在的其他绕组故障，以确定故障原因。如果确定绕组受潮严重，则必须进行下一步的空气加热处理。

（4）循环空气加热除湿。较严重的绕组受潮，2～8 K 空气摩擦升温不足以完成应急干燥，必须进一步提高循环风温。方法为：接通发电机内置电加热器电源，没有装备内置电加热器的发电机，则在风冷室内安装临时电加热器，电加热器功率的选择视机组大小而定。

为安全起见，投入电加热器运行后，必须严密监视发电机定、转子温度和循环风温度，其最高温度必须低于发电机额定运行温度，一般为不超过80 ℃。

在加热除湿运行作业过程中，必须频繁检测机组绝缘，并且检测的时间间隔要逐渐缩短，以便及时发现效果，及时退出作业，及时并网运行。

3.3 应用效果

以武钢热力厂QF-15-2 型发电机应用检验为例，2010 年 8 月 16 日开机并网，发电机定子绕组对地绝缘电阻检测为 2 MΩ，转子对地绝缘为 1.5MΩ。发电机经过开启风门和通风 孔换流通风后，检测绝缘电阻没有变化，关闭换流通风后检测定子入口风温为 37 ℃。维持机组 3000 r/min 的额定转速，并关闭空冷器冷却水运行 30 min 后，定子入口风温升至 42 ℃。而后检测定子绝缘电阻为 12 MΩ，转子为10 MΩ，达到开机并网的绝缘要求。

4 结束语

空冷式汽轮发电机并网应急干燥方法仍属于“热风干燥方法”的范畴，利用其构造特性和开机运行条件，制造一定的发电机内部热风循环以实施干燥处理，具有效果明显，速度快的特点，尤其适合开机并网时的应急干燥需要。这种外热式的热风干燥方法，对于中轻度表层受潮处理非常有效，但对于绕组内部的深层重度受潮处理效果有限。