抽水蓄能发电电动机冷却方式分析蒲海明

抽水蓄能发电电动机冷却方式分析蒲海明

蒲海明

（北京十三陵蓄能电厂北京昌平102200）

摘要：针对抽水蓄能发电电动机的冷却问题，本文通过实施相似模拟试验，结合模拟试验结果，深入研究抽水蓄能发电电动机的冷却方式，并在对比试验数据与计算结果的基础上，具体探讨了通风系统结构对发电机冷却的影响。

关键词：发电电动机；冷却方式；模拟试验

随着电力资源在日常生产生活中的广泛应用，电力资源需求量持续增大，而这也对电力系统建设提出了更高的要求。科学技术的创新发展，促进抽水蓄能发电电动机相关研发技术的日趋成熟，在现代电力系统建设中的应用也逐渐受到重视，有助于建设经济性高、安全性好、调节能力强的电网。与常规电动机相比，抽水蓄能发电电动机的基础参数更高，如转速、每极容量等，长时间运行会造成电机温度大幅度提升，解决这一问题的关键是电动机的冷却设计。冷却方式的科学性、适宜性，以及其与电机相关构件的匹配度，决定着抽水蓄能发电电动机的运行效果及使用寿命，对电力系统的安全、稳定运行具有极为重要的影响。

1.模拟试验方法

不同冷却方式具有不同的流场特征。对抽水蓄能发电电动机而言，冷却方式的选用，决定着通风冷却系统的功效发挥，关系着抽水蓄能发电电动机运行的安全性、可靠性。针对目前使用较为广泛的固定挡风板结构、旋转挡风板结构和带风扇的固定挡风板结构等三种类型的通风冷却系统，通过相似模拟试验，了解三种不同通风冷却系统结构的流场特征，以及风量分配，检验不同冷却方式下电动机是否会出现死区、空气流动漩涡等流场现象，从而优选出适应于抽水蓄能发电电动机的冷却方式。

1.1基本原理

为实现对抽水蓄能发电电动机冷却方式的优化选择，可依据相似法则这一理论，对上述三种通风冷却系统进行模拟试验，并通过采用量纲分析方法对模拟试验产生的数据信息进行科学处理，找出不同冷却方式的干扰因素，将独立物理量组合成无量纲数，以便保证模拟试验结果的真实性、精准度。利用量纲分析方法处理试验数据时，应遵循下述基本原理：第一，和谐原理，即能够正确反映客观规律的物理方程所包含的各项量纲应保持统一。第二，无量纲数不会受过程大小改变的影响，应为两个相同量比值或是雷诺数等多个有量纲组合形成的常数。

1.2流动特征

电机通风冷却系统主要是由两类元件构成，一种是各种形状的风阻元件，另一种是旋转的压力元件。一般情况下，电机通风冷却系统都具备下述几项流动特征：第一，因封闭循环系统的作用，通风冷却系统自动建立边界条件，不会受外界气流的影响。第二，短风道构成电机通风冷却系统的风路，具有局部阻力大等特点，而电机通风冷却系统运行中沿程阻力仅占全部阻力的10%左右。第三，电机通风冷却系统的风道会受转动部件中气流搅动作用的影响，并形成高紊流度。

通过根据上述基本原理以及电机通风冷却系统的流动特征，遵循相似法则，选择固定挡风板结构、旋转挡风板结构和带风扇的固定挡风板结构等三种不同类型的通风冷却系统，建立相应的抽水蓄能发电电动机通风冷却模型，进行模拟试验，有助于选择适应于抽水蓄能发电电动机的冷却方式。

2.冷却方式研究

抽水蓄能发电电动机的长时间运行会造成相关部件发热，通过选用适宜的冷却方式，科学设计电机通风冷却系统，可实现对电机发热部件温度的及时、有效控制，有助于避免因部件温度超过最大承受范围而造成电机不工作，防止电机出现绝缘脱落、定子铁心翘曲等问题。在设计抽水蓄能发电电动机的通风冷却系统时，对于风量大小的确定，应充分考虑电机通风冷却系统中各部件的性能、尺寸等，确保风量大小能够满足电机冷却的需求。同时，通过科学设计电机通风冷却系统和密封结构和局部挡板，有助于提升通风冷却系统的运行功效，防止系统运行中出现空气流动漩涡、风堵等现象，也可实现对系统通风损耗与流道压力损失的有效降低。通过对固定挡风板结构、旋转挡风板结构与带风扇的固定挡风板结构等三种类型的通风冷却系统进行模拟试验，正确处理试验结果，可为抽水蓄能发电电动机冷却方式的选择以及通风冷却系统的设计提供科学依据，有利于保障抽水蓄能发电电动机的安全、稳定运行。

综合目前最先进发电电动机的结构特点，基于抽水蓄能发电电动机的通风冷却系统设计需求，可采用整体磁轭圈、通风沟与通风隙结构对抽水蓄能发电电动机的通风冷却系统进行设计，并通过采用带散热匝形式的磁极线圈，扩大通风冷却系统内磁极线圈的散热面积，以便确保发电电动机的通风冷却效果能够得到增强。目前，使用较为广泛的定子铁心通风沟高度主要包括4mm、5mm、6mm、8mm与10mm等几种，在通风冷却系统设计过程中，需根据系统内风量的分布，以及通风冷却系统内定子铁心各部分温度的准确计算结果，选择适宜的定子铁心通风沟高度，以便增强抽水蓄能发电电动机的通风冷却效果。

3.模拟试验结果

3.1总风量的测试结果

经过在发电和电动两种工况下，对固定挡风板结构、旋转挡风板结构与带风扇的固定挡风板结构三种类型的通风冷却系统进行模拟试，得出三种不同结构的通风冷却系统在不同工况下的总风量。

在发电工况下，固定挡风板结构的通风冷却系统的总风量在121.6m³/s左右；而在电动工况下，固定挡风板结构的通风冷却系统的总风量在119.1m³/s左右；两种不同工况下固定挡风板结构通风冷却系统总风量的差值在2%左右。

在发电工况下，带风扇固定挡风板结构通风冷却系统的总风量在186.3m³/s；而在电动工况下，带风扇固定挡风板结构通风冷却系统的总风量在186.7m³/s；两种不同工况下带风扇固定挡风板结构通风冷却系统总风量的差值在0.2%左右。

在发电工况下，旋转挡风板结构通风冷却系统的总风量在121.8m³/s左右；而在电动工况下，旋转挡风板结构通风冷却系统的总风量在118.4m³/s左右；另种不同工况下旋转挡风板结构通风冷却系统总风量的差值在3%左右。

3.2定子风沟风速

通过实施模拟试验，测得固定挡风板结构、旋转挡风板结构与带风扇的固定挡风板结构三种类型的通风冷却系统的定子风沟风速分布规律，而根据试验结果可以看出，相较于固定挡风板结构和旋转挡风板结构的通风冷却系统，带风扇的固定挡风板结构通风冷却系统的两端风速更高。主要是因为在带风扇的固定挡风板结构通风冷却系统的运行过程中，系统两端的风扇会形成压力，导致抽水蓄能发电电动机冷却系统内气隙端部风量的提高，冷却风优先进入系统两端的定子风沟，从而形成通风冷却系统内各定子风沟风速的分布规律呈两端高于中间。

4.试验数据与计算结果对比

经过对固定挡风板结构、旋转挡风板结构与带风扇的固定挡风板结构三种类型的通风冷却系统进行模拟试验，通过对比计算结果和试验数据，可为抽水蓄能发电电动机冷却方式的选择与通风冷却系统的设计提供科学依据。三种不同结构通风冷却系统的试验数据与计算结果对比见表1；定子各部分温升见表2。

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