第八章課件(電機)

1、 第第八章章 電機的發(fā)熱與冷卻電機的發(fā)熱與冷卻前言前言81 電機電機的溫升與溫的溫升與溫升限度升限度82 電機電機的發(fā)熱與的發(fā)熱與冷卻冷卻 臨沂師范學(xué)院臨沂師范學(xué)院83 電電機的冷卻機的冷卻方式方式84 變壓器變壓器的冷卻方式的冷卻方式一、重點：1 1、電機、電機的發(fā)熱及冷卻的發(fā)熱及冷卻；2 2、電機及電機及變壓器的冷卻方式。變壓器的冷卻方式。重點與難點二、難點： 電機的冷卻技術(shù)電機的冷卻技術(shù)。前言前言 一、電機的發(fā)熱問題一、電機的發(fā)熱問題 電機發(fā)熱的原因：主要由于鐵心損耗、電電機發(fā)熱的原因：主要由于鐵心損耗、電樞銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗所產(chǎn)生的熱量不能及時樞銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗所產(chǎn)生的熱量不能及時散出，致使

2、電機內(nèi)部溫度升高。散出，致使電機內(nèi)部溫度升高。 ( (電機與變壓器損耗圖電機與變壓器損耗圖) ) 危害：（危害：（1 1）使電機絕緣受損，壽命縮短，）使電機絕緣受損，壽命縮短，以致破壞，電機性能變壞，甚至報廢。以致破壞，電機性能變壞，甚至報廢。（2 2）結(jié)構(gòu)部件機械變形。）結(jié)構(gòu)部件機械變形。二、電機冷卻技術(shù)的提出二、電機冷卻技術(shù)的提出返回返回 8.1 8.1 電機的溫升和溫升限度電機的溫升和溫升限度1.1.電機中常用的絕緣材料及其容許工作溫度電機中常用的絕緣材料及其容許工作溫度B級130E級120A級105F級155H級180C級180以上油浸漬的棉紗、油浸漬的棉紗、絲、紙絲、紙（有機材料）（

3、有機材料）聚脂樹脂聚脂樹脂環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂三醋酸纖維三醋酸纖維（絕緣薄膜）（絕緣薄膜）B B、F F、H H、C C級絕緣的基本材料級絕緣的基本材料為云母、石棉、玻璃纖維，但為云母、石棉、玻璃纖維，但浸漬用漆的耐熱性不同。浸漬用漆的耐熱性不同。各等級絕緣材料的利用各等級絕緣材料的利用一一般般電電機機使用的電機使用的電機高溫場合高溫場合使用的高壓電機使用的高壓電機高溫場合高溫場合電力變壓器電力變壓器油浸式油浸式干式變壓器干式變壓器E E級級A A級級B B級級F F級級H H級級C C級級2.電機的溫升和溫升限度電機的溫升和溫升限度溫升：電機某部分的溫度和周圍冷卻介質(zhì)的溫溫升：電機某部分的溫度和

4、周圍冷卻介質(zhì)的溫度之差稱為該部件的溫升。度之差稱為該部件的溫升。常用的測溫方法：常用的測溫方法：（1）溫度計法；）溫度計法；(圖圖8-1)（2）電阻法；）電阻法；(圖圖8-2)（3）埋植檢溫計法。）埋植檢溫計法。埋植檢溫計法埋植檢溫計法 大型電機在裝配時，預(yù)計在最高溫度的地方大型電機在裝配時，預(yù)計在最高溫度的地方埋植多個檢溫計。埋植多個檢溫計。 檢溫計檢溫計(選用原則選用原則) 檢溫計有檢溫計有熱電偶、熱電阻和半導(dǎo)體負阻系數(shù)熱電偶、熱電阻和半導(dǎo)體負阻系數(shù)檢溫計檢溫計三種。三種。 優(yōu)點：可以測得電機內(nèi)部接近于優(yōu)點：可以測得電機內(nèi)部接近于“最熱點的最熱點的溫度溫度”。 缺點：此方法復(fù)雜。缺點：此方

5、法復(fù)雜。1.電機內(nèi)熱量的傳導(dǎo)和散出電機內(nèi)熱量的傳導(dǎo)和散出 在電機各部件內(nèi)部，熱量主要通過在電機各部件內(nèi)部，熱量主要通過傳傳導(dǎo)導(dǎo)作用散出；作用散出； 在部件表面，散熱方式有在部件表面，散熱方式有對流對流和和輻射輻射兩種。兩種。 電機中的熱源主要是繞組和鐵心中的電機中的熱源主要是繞組和鐵心中的損耗。（損耗。（圖圖83） 8.2 8.2 電機的發(fā)熱與冷卻電機的發(fā)熱與冷卻熱量在電機內(nèi)部傳導(dǎo)時會受到一定的阻力，熱量在電機內(nèi)部傳導(dǎo)時會受到一定的阻力，這種阻力稱為熱阻，用這種阻力稱為熱阻，用 表示。表示。AlRm thR不同材料的熱導(dǎo)率不同材料的熱導(dǎo)率相差很大。金屬材料的熱導(dǎo)率相差很大。金屬材料的熱導(dǎo)率很高

6、，絕緣材料的熱導(dǎo)率很低，靜止薄空氣層的熱很高，絕緣材料的熱導(dǎo)率很低，靜止薄空氣層的熱導(dǎo)率為最小。導(dǎo)率為最小。措施：（措施：（1 1）采用耐壓強度高、導(dǎo)熱性能好的絕緣）采用耐壓強度高、導(dǎo)熱性能好的絕緣材料；減小絕緣層的厚度；清除槽內(nèi)的薄空氣層。材料；減小絕緣層的厚度；清除槽內(nèi)的薄空氣層。（2 2）增大表面散熱面積，改善表面的散熱性能、）增大表面散熱面積，改善表面的散熱性能、增加冷卻介質(zhì)的流動速度。增加冷卻介質(zhì)的流動速度。 連續(xù)工作制下運行時電機的發(fā)熱與冷卻過程連續(xù)工作制下運行時電機的發(fā)熱與冷卻過程電機是由多種物理性質(zhì)不同的部件組成，熱導(dǎo)電機是由多種物理性質(zhì)不同的部件組成，熱導(dǎo)率相差很大，同時有幾

7、個熱源，使各部分同時率相差很大，同時有幾個熱源，使各部分同時發(fā)熱，為簡化分析，將整個電機或某一部分看發(fā)熱，為簡化分析，將整個電機或某一部分看作作均質(zhì)等溫固體。均質(zhì)等溫固體。2.在連續(xù)工作制下運行時電機的在連續(xù)工作制下運行時電機的發(fā)熱與冷卻發(fā)熱與冷卻 TtTtee 01 dtAcGdQdt AdtdcGQ 則有則有或或解為解為（圖圖8 84 4） 求解上式，并設(shè)冷卻開始求解上式，并設(shè)冷卻開始( )( )時，時， ，可得可得0t 00tTe （10107 7）若若0, 00 t Tte1 則則溫升的速度為溫升的速度為TteTdtd QA cGTA 穩(wěn)態(tài)溫升穩(wěn)態(tài)溫升 發(fā)熱時間常數(shù)發(fā)熱時間常數(shù) 0dc

8、GAdt （10106 6）冷卻過程的方程為冷卻過程的方程為 （冷卻曲線冷卻曲線）分析結(jié)論：分析結(jié)論：l（1 1）均質(zhì)等溫固體的發(fā)熱和冷卻曲線都是指數(shù)）均質(zhì)等溫固體的發(fā)熱和冷卻曲線都是指數(shù)曲線。曲線。l（2 2）單位時間內(nèi)物體內(nèi)部產(chǎn)生的熱量越大，穩(wěn)）單位時間內(nèi)物體內(nèi)部產(chǎn)生的熱量越大，穩(wěn)態(tài)溫升就越高，表面的散熱能力越強，穩(wěn)態(tài)溫升態(tài)溫升就越高，表面的散熱能力越強，穩(wěn)態(tài)溫升就越低。就越低。l（3 3）發(fā)熱和冷卻的速度取決于發(fā)熱和冷卻時的）發(fā)熱和冷卻的速度取決于發(fā)熱和冷卻時的時間常數(shù)，物體的熱容量越大，時間常數(shù)就大；時間常數(shù)，物體的熱容量越大，時間常數(shù)就大；散熱能力越好，時間常數(shù)就小。散熱能力越好，時

9、間常數(shù)就小。l（4 4）無論是發(fā)熱還是冷卻，在最初階段，物體）無論是發(fā)熱還是冷卻，在最初階段，物體的溫升總是上升或下降得較快，因此測溫要快，的溫升總是上升或下降得較快，因此測溫要快，測溫的時間間隔要短。測溫的時間間隔要短。3.3.在短時工作制和周期工作制下在短時工作制和周期工作制下運行時電機的發(fā)熱與冷卻運行時電機的發(fā)熱與冷卻 短時工作制（短時工作制（圖圖104） 周期工作制周期工作制(圖圖105)短時工作制短時工作制的時限的時限（minmin）15306090周期工作制周期工作制的負載率的負載率（10min10min）15% 25%40%60%8.3 8.3 電機的冷卻方式電機的冷卻方式 1.

10、 1.表面冷卻表面冷卻 自冷式自冷式 自扇冷式（自扇冷式（圖圖8 86 6、圖、圖8 87 7、圖、圖8 88 8 ） 他扇冷式他扇冷式 2. 2.內(nèi)部冷卻內(nèi)部冷卻 發(fā)展歷程：氫冷液冷（水冷、油冷）蒸發(fā)發(fā)展歷程：氫冷液冷（水冷、油冷）蒸發(fā)冷卻。冷卻。 定子水冷（定子水冷（圖圖8-9a8-9a）、定子氫冷（）、定子氫冷（圖圖8-9b8-9b） 轉(zhuǎn)子水冷（轉(zhuǎn)子水冷（圖圖8-9c8-9c）、轉(zhuǎn)子氫冷（）、轉(zhuǎn)子氫冷（圖圖8-9d8-9d） 雙水內(nèi)冷發(fā)電機雙水內(nèi)冷發(fā)電機( (示意圖示意圖) ) 蒸發(fā)冷卻蒸發(fā)冷卻( (逐步采用逐步采用) ) 返回返回 3. 3.我國電機的冷卻技術(shù)我國電機的冷卻技術(shù) （1

11、1）雙水內(nèi)冷）雙水內(nèi)冷( (發(fā)展及技術(shù)難題發(fā)展及技術(shù)難題) )； （2 2）半水內(nèi)冷（）半水內(nèi)冷（采用方式采用方式）； （3 3）全氫冷（）全氫冷（氫冷系統(tǒng)氫冷系統(tǒng)）；）； （4 4）全空冷（）全空冷（發(fā)展情況發(fā)展情況）；）； （5 5）蒸發(fā)冷卻（）蒸發(fā)冷卻（基本原理及應(yīng)用前景基本原理及應(yīng)用前景）。）。 各種冷卻方式優(yōu)缺點比較各種冷卻方式優(yōu)缺點比較 冷卻技術(shù)展望冷卻技術(shù)展望8.4 8.4 變壓器的冷卻方式變壓器的冷卻方式 1. 1.變壓器的發(fā)熱與傳熱（變壓器的發(fā)熱與傳熱（圖圖8 81111） 鐵耗和銅耗鐵耗和銅耗 2.2.變壓器的冷卻方式變壓器的冷卻方式 自冷式自冷式 風(fēng)冷式風(fēng)冷式 強迫油循環(huán)

12、式（圖強迫油循環(huán)式（圖8 81212）l思考題思考題 10.1 10.1 電機的冷卻方式有哪些？電機的冷卻方式有哪些？ 10.2 10.2 變壓器的冷卻方式有哪些？變壓器的冷卻方式有哪些？返回返回 Ot圖圖10104 4 按短時工作制運行時按短時工作制運行時電機的的發(fā)熱和冷卻曲線電機的的發(fā)熱和冷卻曲線圖圖10105 5 按周期工作制運行時按周期工作制運行時電機的發(fā)熱和冷卻電機的發(fā)熱和冷卻穩(wěn)態(tài)時穩(wěn)態(tài)時m 1t2t2t1t tO返回返回1P2PFepCup1PFepmecpCupadpmeP2P1P2PmePmecpCupFepadpa)a)發(fā)電機發(fā)電機b) )電動機電動機c)c)變壓器變壓器返回

13、返回幅射和幅射和對流對流傳導(dǎo)傳導(dǎo)導(dǎo)導(dǎo)體體空氣空氣鐵心鐵心絕緣絕緣圖圖8 83 3 槽內(nèi)繞組的散熱槽內(nèi)繞組的散熱返回返回 dT dttdtt tO 0 OTta)a)均質(zhì)等溫固體的發(fā)熱曲線均質(zhì)等溫固體的發(fā)熱曲線b)b)均質(zhì)等溫固體的冷卻曲線均質(zhì)等溫固體的冷卻曲線圖圖8 84 4 均質(zhì)等溫固體的發(fā)熱與冷卻曲線均質(zhì)等溫固體的發(fā)熱與冷卻曲線1 1返回返回2 2返回返回0 05050100100溫度計法溫度計法l優(yōu)點：優(yōu)點：測量簡便；測量簡便；l缺點：缺點：只能測取表面溫度。只能測取表面溫度。返回返回需將常溫測得需將常溫測得的電阻換成熱的電阻換成熱態(tài)電阻。態(tài)電阻。電阻法電阻法005 .2345 .234

14、RttR A AU U+ +- -此法測出的是整個此法測出的是整個繞組平均溫度。繞組平均溫度。即即返回返回（銅材）（銅材）00225225tRRt （鋁材）（鋁材）圖圖8-6 8-6 徑向通風(fēng)式電機徑向通風(fēng)式電機圖圖8-7 8-7 軸向通風(fēng)式電機軸向通風(fēng)式電機圖圖8-8 8-8 外部自扇冷式電機外部自扇冷式電機( (防爆電機防爆電機) )槽楔槽楔空心導(dǎo)體空心導(dǎo)體槽絕緣槽絕緣主絕緣導(dǎo)線導(dǎo)線不銹鋼管不銹鋼管定子繞組的內(nèi)冷定子繞組的內(nèi)冷 a)a)水內(nèi)冷水內(nèi)冷 b)b)氫內(nèi)冷氫內(nèi)冷 圖圖10109 9 轉(zhuǎn)子繞組的內(nèi)冷轉(zhuǎn)子繞組的內(nèi)冷c)c)水內(nèi)冷水內(nèi)冷d)d)氫內(nèi)冷氫內(nèi)冷hotC40 60 80 100

15、油箱油箱油油鐵心鐵心線圈線圈圖圖8 811 11 油浸式變壓器箱內(nèi)油的對流油浸式變壓器箱內(nèi)油的對流和各部分的溫度分布和各部分的溫度分布水水箱箱冷水器冷水器過濾器過濾器出水支座出水支座雙水內(nèi)冷發(fā)電機雙水內(nèi)冷發(fā)電機運行水泵運行水泵備用水泵雙水內(nèi)冷發(fā)電機水系統(tǒng)示意圖雙水內(nèi)冷發(fā)電機水系統(tǒng)示意圖a a）銅電阻、）銅電阻、鎳熱電阻鎳熱電阻b b）鉑電阻）鉑電阻c c）熱電偶）熱電偶d d）熱敏電阻）熱敏電阻NTCNTC選用原則：選用原則： （1 1）可靠性；）可靠性； （2 2）測溫范圍；）測溫范圍； （3 3）測溫精度；）測溫精度； （4 4）造價。）造價。銅電阻銅電阻(WZC)鎳電阻鎳電阻(WZN)分

16、度號分度號測溫范圍測溫范圍G G-50-50o o150150o oC CCu50Cu50-50-50o o150150o oC CCu100Cu100-50-50o o150150o oC C分度號分度號測溫范圍測溫范圍Ni100Ni100-60-60o o180180o oC CNi200Ni200-60-60o o180180o oC CNi300Ni300-60-60o o180180o oC C鉑熱電阻鉑熱電阻(WZP)分度號分度號測溫范圍測溫范圍Pt50Pt50-200-200o o650650o oC CPt100Pt100-200-200o o650650o oC CPt300

17、Pt300-200-200o o650650o oC C熱電偶熱電偶熱電偶名稱熱電偶名稱分度號分度號測溫范圍測溫范圍鉑銠鉑銠1010鉑鉑LB-3LB-30 0o o13001300o oC C鉑銠鉑銠3030鉑銠鉑銠6 6LLLL2 20 0o o16001600o oC C鎳鉻鎳硅鎳鉻鎳硅EU-2EU-2200200o o10001000o oC C鎳鉻錳白銅鎳鉻錳白銅EA-2EA-25050o o600600o oC C銅錳白銅銅錳白銅CKCK200200o o200200o oC C半導(dǎo)體負溫度系數(shù)熱敏電阻半導(dǎo)體負溫度系數(shù)熱敏電阻NTCNTC，它的電阻率，它的電阻率隨溫度的增加均勻地減小

18、，可用于測量溫度。隨溫度的增加均勻地減小，可用于測量溫度。40 80 120 160 200t/t/o oC C/(/(s s-1-1cmcm-1-1) )O O19581958年，鄭光華提出。年，鄭光華提出。試驗電機試驗電機60kW60kW，雙水內(nèi)冷，取得成功；，雙水內(nèi)冷，取得成功；后來，肖山電機廠制成了采用定、轉(zhuǎn)子雙水內(nèi)冷的后來，肖山電機廠制成了采用定、轉(zhuǎn)子雙水內(nèi)冷的3000kW3000kW凸極同步電機；凸極同步電機；上海電機廠制成了世界第一臺上海電機廠制成了世界第一臺12000kW12000kW的雙水內(nèi)冷的汽的雙水內(nèi)冷的汽輪發(fā)電機；輪發(fā)電機；在在300MW300MW大型汽輪發(fā)電機和大型汽

19、輪發(fā)電機和300MW300MW水輪發(fā)電機水輪發(fā)電機已采用已采用。雙水內(nèi)冷技術(shù)已可滿足生產(chǎn)雙水內(nèi)冷技術(shù)已可滿足生產(chǎn)600MW600MW電機的需要（國內(nèi)）電機的需要（國內(nèi)）技術(shù)難題技術(shù)難題？純水處理設(shè)備尺寸減小水路循環(huán)系統(tǒng)結(jié)垢水電接頭絕緣與密封混入空氣出現(xiàn)循環(huán)阻塞水質(zhì)處理水質(zhì)處理采用方式：采用方式： （1 1）水空空）水空空 定子繞組采用用水冷，定子繞組采用用水冷，定子鐵心空冷，轉(zhuǎn)子空冷；功率可做到：汽定子鐵心空冷，轉(zhuǎn)子空冷；功率可做到：汽輪發(fā)電機輪發(fā)電機600MW600MW，水輪發(fā)電機，水輪發(fā)電機700MW700MW。 通風(fēng)形式：軸向徑向、氣隙取氣；通風(fēng)形式：軸向徑向、氣隙取氣； 風(fēng)扇結(jié)構(gòu)：兩端

20、軸流、多級風(fēng)扇。風(fēng)扇結(jié)構(gòu)：兩端軸流、多級風(fēng)扇。（2 2）水氫氫）水氫氫 定子繞組采用水冷，定子定子繞組采用水冷，定子鐵心氫冷，轉(zhuǎn)子氫冷。鐵心氫冷，轉(zhuǎn)子氫冷?？勺龅娇勺龅?000MW1000MW以上。以上。氫冷系統(tǒng)氫冷系統(tǒng)電機外部電機外部連接管路連接管路電機內(nèi)部電機內(nèi)部循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)系統(tǒng)制氫站制氫站電解加壓（電解加壓（14.7-17.6MPa14.7-17.6MPa）脫水減壓（脫水減壓（0.5MPa0.5MPa）氫氣純度氫氣純度96969898控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)置換裝置、分析儀、置換裝置、分析儀、指示器、調(diào)節(jié)器、補指示器、調(diào)節(jié)器、補氫裝置、氫氣干燥器、氫裝置、氫氣干燥器、工況監(jiān)視儀等。工況監(jiān)視儀等。

21、電機全空冷技術(shù)發(fā)展情況：電機全空冷技術(shù)發(fā)展情況：（1 1）汽輪發(fā)電機已達汽輪發(fā)電機已達600MW600MW；（2 2）水輪發(fā)電機。）水輪發(fā)電機。20072007年年5 5月月1010日，哈爾濱電機日，哈爾濱電機廠責(zé)任有限公司生產(chǎn)，三峽電站右岸廠責(zé)任有限公司生產(chǎn)，三峽電站右岸2626號機組運號機組運行，成為世界第一臺行，成為世界第一臺700MW700MW、840MVA840MVA全空冷水輪全空冷水輪發(fā)電機，達到世界先進水平。三峽電站將有發(fā)電機，達到世界先進水平。三峽電站將有6 6臺臺水輪發(fā)電機采用全空冷技術(shù)。水輪發(fā)電機采用全空冷技術(shù)。哈爾濱電機廠責(zé)任有限公司已接到國內(nèi)哈爾濱電機廠責(zé)任有限公司已接

22、到國內(nèi)3232臺訂單，臺訂單，主要是用在三峽、龍灘、二灘等電站。主要是用在三峽、龍灘、二灘等電站。基本原理及應(yīng)用前景基本原理及應(yīng)用前景蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)示意圖蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)示意圖 我國從事電機蒸發(fā)冷卻技術(shù)研究已歷我國從事電機蒸發(fā)冷卻技術(shù)研究已歷4040余年；累計達余年；累計達570MVA570MVA的運行經(jīng)驗。的運行經(jīng)驗。應(yīng)用實例應(yīng)用實例 19831983年，云南大寨水電廠年，云南大寨水電廠2 2臺臺10MW10MW水輪發(fā)電機；水輪發(fā)電機； 19921992年，安康火石巖電廠年，安康火石巖電廠52.5 MW52.5 MW汽輪發(fā)電機；汽輪發(fā)電機； 19991999年，青海李家峽電站年，青海李家峽電站44

23、0MW440MW水輪發(fā)電機；水輪發(fā)電機； 三峽電站將有兩臺三峽電站將有兩臺700MW700MW水輪發(fā)電機采用蒸發(fā)冷卻；水輪發(fā)電機采用蒸發(fā)冷卻； 蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用前景很好。蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用前景很好。三峽電站三峽電站:700MW:700MW水輪發(fā)電機水輪發(fā)電機3232臺臺, ,半水（內(nèi)）半水（內(nèi)）冷冷2424臺臺, ,全空冷全空冷6 6臺臺, ,蒸發(fā)冷卻蒸發(fā)冷卻2 2臺。臺。冷卻方式冷卻方式優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點全空冷全空冷結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單 、費用低廉、維護方、費用低廉、維護方便。便。通風(fēng)損耗大，定、轉(zhuǎn)子繞組通風(fēng)損耗大，定、轉(zhuǎn)子繞組溫升高，影響絕緣壽命。溫升高，影響絕緣壽命。半水（內(nèi)）半水（內(nèi)）冷冷水氫氫：兼有水、氫冷的水氫氫：兼有水、氫冷的優(yōu)點；優(yōu)點；水空空：兼有水、空冷的水空空：兼有水、空冷的優(yōu)點。優(yōu)點。水氫氫：兼有水、氫冷水氫氫：兼有水、氫冷的缺點的缺點水空空：兼有水、空冷水空空：兼有水、空冷的缺點的缺點蒸發(fā)冷卻蒸發(fā)冷卻可自然循環(huán)、冷卻效果好，介可自然循環(huán)、冷卻效果好，介質(zhì)絕緣性好。質(zhì)絕緣性好。需要低溫汽化、低溫液化介需要低溫汽化、低溫液化介質(zhì)，介質(zhì)成本稍高。質(zhì)，介質(zhì)成本稍