第八章课件(电机)

1、 第第八章章 电机的发热与冷却电机的发热与冷却前言前言81 电机电机的温升与温的温升与温升限度升限度82 电机电机的发热与的发热与冷却冷却 临沂师范学院临沂师范学院83 电电机的冷却机的冷却方式方式84 变压器变压器的冷却方式的冷却方式一、重点：1 1、电机、电机的发热及冷却的发热及冷却；2 2、电机及电机及变压器的冷却方式。变压器的冷却方式。重点与难点二、难点： 电机的冷却技术电机的冷却技术。前言前言 一、电机的发热问题一、电机的发热问题 电机发热的原因：主要由于铁心损耗、电电机发热的原因：主要由于铁心损耗、电枢铜耗、转子铜耗所产生的热量不能及时枢铜耗、转子铜耗所产生的热量不能及时散出，致使

2、电机内部温度升高。散出，致使电机内部温度升高。 ( (电机与变压器损耗图电机与变压器损耗图) ) 危害：（危害：（1 1）使电机绝缘受损，寿命缩短，）使电机绝缘受损，寿命缩短，以致破坏，电机性能变坏，甚至报废。以致破坏，电机性能变坏，甚至报废。（2 2）结构部件机械变形。）结构部件机械变形。二、电机冷却技术的提出二、电机冷却技术的提出返回返回 8.1 8.1 电机的温升和温升限度电机的温升和温升限度1.1.电机中常用的绝缘材料及其容许工作温度电机中常用的绝缘材料及其容许工作温度B级130E级120A级105F级155H级180C级180以上油浸渍的棉纱、油浸渍的棉纱、丝、纸丝、纸（有机材料）（

3、有机材料）聚脂树脂聚脂树脂环氧树脂环氧树脂三醋酸纤维三醋酸纤维（绝缘薄膜）（绝缘薄膜）B B、F F、H H、C C级绝缘的基本材料级绝缘的基本材料为云母、石棉、玻璃纤维，但为云母、石棉、玻璃纤维，但浸渍用漆的耐热性不同。浸渍用漆的耐热性不同。各等级绝缘材料的利用各等级绝缘材料的利用一一般般电电机机使用的电机使用的电机高温场合高温场合使用的高压电机使用的高压电机高温场合高温场合电力变压器电力变压器油浸式油浸式干式变压器干式变压器E E级级A A级级B B级级F F级级H H级级C C级级2.电机的温升和温升限度电机的温升和温升限度温升：电机某部分的温度和周围冷却介质的温温升：电机某部分的温度和

4、周围冷却介质的温度之差称为该部件的温升。度之差称为该部件的温升。常用的测温方法：常用的测温方法：（1）温度计法；）温度计法；(图图8-1)（2）电阻法；）电阻法；(图图8-2)（3）埋植检温计法。）埋植检温计法。埋植检温计法埋植检温计法 大型电机在装配时，预计在最高温度的地方大型电机在装配时，预计在最高温度的地方埋植多个检温计。埋植多个检温计。 检温计检温计(选用原则选用原则) 检温计有检温计有热电偶、热电阻和半导体负阻系数热电偶、热电阻和半导体负阻系数检温计检温计三种。三种。 优点：可以测得电机内部接近于优点：可以测得电机内部接近于“最热点的最热点的温度温度”。 缺点：此方法复杂。缺点：此方

5、法复杂。1.电机内热量的传导和散出电机内热量的传导和散出 在电机各部件内部，热量主要通过在电机各部件内部，热量主要通过传传导导作用散出；作用散出； 在部件表面，散热方式有在部件表面，散热方式有对流对流和和辐射辐射两种。两种。 电机中的热源主要是绕组和铁心中的电机中的热源主要是绕组和铁心中的损耗。（损耗。（图图83） 8.2 8.2 电机的发热与冷却电机的发热与冷却热量在电机内部传导时会受到一定的阻力，热量在电机内部传导时会受到一定的阻力，这种阻力称为热阻，用这种阻力称为热阻，用 表示。表示。AlRm thR不同材料的热导率不同材料的热导率相差很大。金属材料的热导率相差很大。金属材料的热导率很高

6、，绝缘材料的热导率很低，静止薄空气层的热很高，绝缘材料的热导率很低，静止薄空气层的热导率为最小。导率为最小。措施：（措施：（1 1）采用耐压强度高、导热性能好的绝缘）采用耐压强度高、导热性能好的绝缘材料；减小绝缘层的厚度；清除槽内的薄空气层。材料；减小绝缘层的厚度；清除槽内的薄空气层。（2 2）增大表面散热面积，改善表面的散热性能、）增大表面散热面积，改善表面的散热性能、增加冷却介质的流动速度。增加冷却介质的流动速度。 连续工作制下运行时电机的发热与冷却过程连续工作制下运行时电机的发热与冷却过程电机是由多种物理性质不同的部件组成，热导电机是由多种物理性质不同的部件组成，热导率相差很大，同时有几

7、个热源，使各部分同时率相差很大，同时有几个热源，使各部分同时发热，为简化分析，将整个电机或某一部分看发热，为简化分析，将整个电机或某一部分看作作均质等温固体。均质等温固体。2.在连续工作制下运行时电机的在连续工作制下运行时电机的发热与冷却发热与冷却 TtTtee 01 dtAcGdQdt AdtdcGQ 则有则有或或解为解为（图图8 84 4） 求解上式，并设冷却开始求解上式，并设冷却开始( )( )时，时， ，可得可得0t 00tTe （10107 7）若若0, 00 t Tte1 则则温升的速度为温升的速度为TteTdtd QA cGTA 稳态温升稳态温升 发热时间常数发热时间常数 0dc

8、GAdt （10106 6）冷却过程的方程为冷却过程的方程为 （冷却曲线冷却曲线）分析结论：分析结论：l（1 1）均质等温固体的发热和冷却曲线都是指数）均质等温固体的发热和冷却曲线都是指数曲线。曲线。l（2 2）单位时间内物体内部产生的热量越大，稳）单位时间内物体内部产生的热量越大，稳态温升就越高，表面的散热能力越强，稳态温升态温升就越高，表面的散热能力越强，稳态温升就越低。就越低。l（3 3）发热和冷却的速度取决于发热和冷却时的）发热和冷却的速度取决于发热和冷却时的时间常数，物体的热容量越大，时间常数就大；时间常数，物体的热容量越大，时间常数就大；散热能力越好，时间常数就小。散热能力越好，时

9、间常数就小。l（4 4）无论是发热还是冷却，在最初阶段，物体）无论是发热还是冷却，在最初阶段，物体的温升总是上升或下降得较快，因此测温要快，的温升总是上升或下降得较快，因此测温要快，测温的时间间隔要短。测温的时间间隔要短。3.3.在短时工作制和周期工作制下在短时工作制和周期工作制下运行时电机的发热与冷却运行时电机的发热与冷却 短时工作制（短时工作制（图图104） 周期工作制周期工作制(图图105)短时工作制短时工作制的时限的时限（minmin）15306090周期工作制周期工作制的负载率的负载率（10min10min）15% 25%40%60%8.3 8.3 电机的冷却方式电机的冷却方式 1.

10、 1.表面冷却表面冷却 自冷式自冷式 自扇冷式（自扇冷式（图图8 86 6、图、图8 87 7、图、图8 88 8 ） 他扇冷式他扇冷式 2. 2.内部冷却内部冷却 发展历程：氢冷液冷（水冷、油冷）蒸发发展历程：氢冷液冷（水冷、油冷）蒸发冷却。冷却。 定子水冷（定子水冷（图图8-9a8-9a）、定子氢冷（）、定子氢冷（图图8-9b8-9b） 转子水冷（转子水冷（图图8-9c8-9c）、转子氢冷（）、转子氢冷（图图8-9d8-9d） 双水内冷发电机双水内冷发电机( (示意图示意图) ) 蒸发冷却蒸发冷却( (逐步采用逐步采用) ) 返回返回 3. 3.我国电机的冷却技术我国电机的冷却技术 （1

11、1）双水内冷）双水内冷( (发展及技术难题发展及技术难题) )； （2 2）半水内冷（）半水内冷（采用方式采用方式）； （3 3）全氢冷（）全氢冷（氢冷系统氢冷系统）；）； （4 4）全空冷（）全空冷（发展情况发展情况）；）； （5 5）蒸发冷却（）蒸发冷却（基本原理及应用前景基本原理及应用前景）。）。 各种冷却方式优缺点比较各种冷却方式优缺点比较 冷却技术展望冷却技术展望8.4 8.4 变压器的冷却方式变压器的冷却方式 1. 1.变压器的发热与传热（变压器的发热与传热（图图8 81111） 铁耗和铜耗铁耗和铜耗 2.2.变压器的冷却方式变压器的冷却方式 自冷式自冷式 风冷式风冷式 强迫油循环

12、式（图强迫油循环式（图8 81212）l思考题思考题 10.1 10.1 电机的冷却方式有哪些？电机的冷却方式有哪些？ 10.2 10.2 变压器的冷却方式有哪些？变压器的冷却方式有哪些？返回返回 Ot图图10104 4 按短时工作制运行时按短时工作制运行时电机的的发热和冷却曲线电机的的发热和冷却曲线图图10105 5 按周期工作制运行时按周期工作制运行时电机的发热和冷却电机的发热和冷却稳态时稳态时m 1t2t2t1t tO返回返回1P2PFepCup1PFepmecpCupadpmeP2P1P2PmePmecpCupFepadpa)a)发电机发电机b) )电动机电动机c)c)变压器变压器返回

13、返回幅射和幅射和对流对流传导传导导导体体空气空气铁心铁心绝缘绝缘图图8 83 3 槽内绕组的散热槽内绕组的散热返回返回 dT dttdtt tO 0 OTta)a)均质等温固体的发热曲线均质等温固体的发热曲线b)b)均质等温固体的冷却曲线均质等温固体的冷却曲线图图8 84 4 均质等温固体的发热与冷却曲线均质等温固体的发热与冷却曲线1 1返回返回2 2返回返回0 05050100100温度计法温度计法l优点：优点：测量简便；测量简便；l缺点：缺点：只能测取表面温度。只能测取表面温度。返回返回需将常温测得需将常温测得的电阻换成热的电阻换成热态电阻。态电阻。电阻法电阻法005 .2345 .234

14、RttR A AU U+ +- -此法测出的是整个此法测出的是整个绕组平均温度。绕组平均温度。即即返回返回（铜材）（铜材）00225225tRRt （铝材）（铝材）图图8-6 8-6 径向通风式电机径向通风式电机图图8-7 8-7 轴向通风式电机轴向通风式电机图图8-8 8-8 外部自扇冷式电机外部自扇冷式电机( (防爆电机防爆电机) )槽楔槽楔空心导体空心导体槽绝缘槽绝缘主绝缘导线导线不锈钢管不锈钢管定子绕组的内冷定子绕组的内冷 a)a)水内冷水内冷 b)b)氢内冷氢内冷 图图10109 9 转子绕组的内冷转子绕组的内冷c)c)水内冷水内冷d)d)氢内冷氢内冷hotC40 60 80 100

15、油箱油箱油油铁心铁心线圈线圈图图8 811 11 油浸式变压器箱内油的对流油浸式变压器箱内油的对流和各部分的温度分布和各部分的温度分布水水箱箱冷水器冷水器过滤器过滤器出水支座出水支座双水内冷发电机双水内冷发电机运行水泵运行水泵备用水泵双水内冷发电机水系统示意图双水内冷发电机水系统示意图a a）铜电阻、）铜电阻、镍热电阻镍热电阻b b）铂电阻）铂电阻c c）热电偶）热电偶d d）热敏电阻）热敏电阻NTCNTC选用原则：选用原则： （1 1）可靠性；）可靠性； （2 2）测温范围；）测温范围； （3 3）测温精度；）测温精度； （4 4）造价。）造价。铜电阻铜电阻(WZC)镍电阻镍电阻(WZN)分

16、度号分度号测温范围测温范围G G-50-50o o150150o oC CCu50Cu50-50-50o o150150o oC CCu100Cu100-50-50o o150150o oC C分度号分度号测温范围测温范围Ni100Ni100-60-60o o180180o oC CNi200Ni200-60-60o o180180o oC CNi300Ni300-60-60o o180180o oC C铂热电阻铂热电阻(WZP)分度号分度号测温范围测温范围Pt50Pt50-200-200o o650650o oC CPt100Pt100-200-200o o650650o oC CPt300

17、Pt300-200-200o o650650o oC C热电偶热电偶热电偶名称热电偶名称分度号分度号测温范围测温范围铂铑铂铑1010铂铂LB-3LB-30 0o o13001300o oC C铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 6LLLL2 20 0o o16001600o oC C镍铬镍硅镍铬镍硅EU-2EU-2200200o o10001000o oC C镍铬锰白铜镍铬锰白铜EA-2EA-25050o o600600o oC C铜锰白铜铜锰白铜CKCK200200o o200200o oC C半导体负温度系数热敏电阻半导体负温度系数热敏电阻NTCNTC，它的电阻率，它的电阻率随温度的增加均匀地减小

18、，可用于测量温度。随温度的增加均匀地减小，可用于测量温度。40 80 120 160 200t/t/o oC C/(/(s s-1-1cmcm-1-1) )O O19581958年，郑光华提出。年，郑光华提出。试验电机试验电机60kW60kW，双水内冷，取得成功；，双水内冷，取得成功；后来，肖山电机厂制成了采用定、转子双水内冷的后来，肖山电机厂制成了采用定、转子双水内冷的3000kW3000kW凸极同步电机；凸极同步电机；上海电机厂制成了世界第一台上海电机厂制成了世界第一台12000kW12000kW的双水内冷的汽的双水内冷的汽轮发电机；轮发电机；在在300MW300MW大型汽轮发电机和大型汽

19、轮发电机和300MW300MW水轮发电机水轮发电机已采用已采用。双水内冷技术已可满足生产双水内冷技术已可满足生产600MW600MW电机的需要（国内）电机的需要（国内）技术难题技术难题？纯水处理设备尺寸减小水路循环系统结垢水电接头绝缘与密封混入空气出现循环阻塞水质处理水质处理采用方式：采用方式： （1 1）水空空）水空空 定子绕组采用用水冷，定子绕组采用用水冷，定子铁心空冷，转子空冷；功率可做到：汽定子铁心空冷，转子空冷；功率可做到：汽轮发电机轮发电机600MW600MW，水轮发电机，水轮发电机700MW700MW。 通风形式：轴向径向、气隙取气；通风形式：轴向径向、气隙取气； 风扇结构：两端

20、轴流、多级风扇。风扇结构：两端轴流、多级风扇。（2 2）水氢氢）水氢氢 定子绕组采用水冷，定子定子绕组采用水冷，定子铁心氢冷，转子氢冷。铁心氢冷，转子氢冷。可做到可做到1000MW1000MW以上。以上。氢冷系统氢冷系统电机外部电机外部连接管路连接管路电机内部电机内部循环系统循环系统制氢站制氢站电解加压（电解加压（14.7-17.6MPa14.7-17.6MPa）脱水减压（脱水减压（0.5MPa0.5MPa）氢气纯度氢气纯度96969898控制系统控制系统置换装置、分析仪、置换装置、分析仪、指示器、调节器、补指示器、调节器、补氢装置、氢气干燥器、氢装置、氢气干燥器、工况监视仪等。工况监视仪等。

21、电机全空冷技术发展情况：电机全空冷技术发展情况：（1 1）汽轮发电机已达汽轮发电机已达600MW600MW；（2 2）水轮发电机。）水轮发电机。20072007年年5 5月月1010日，哈尔滨电机日，哈尔滨电机厂责任有限公司生产，三峡电站右岸厂责任有限公司生产，三峡电站右岸2626号机组运号机组运行，成为世界第一台行，成为世界第一台700MW700MW、840MVA840MVA全空冷水轮全空冷水轮发电机，达到世界先进水平。三峡电站将有发电机，达到世界先进水平。三峡电站将有6 6台台水轮发电机采用全空冷技术。水轮发电机采用全空冷技术。哈尔滨电机厂责任有限公司已接到国内哈尔滨电机厂责任有限公司已接

22、到国内3232台订单，台订单，主要是用在三峡、龙滩、二滩等电站。主要是用在三峡、龙滩、二滩等电站。基本原理及应用前景基本原理及应用前景蒸发冷却系统示意图蒸发冷却系统示意图 我国从事电机蒸发冷却技术研究已历我国从事电机蒸发冷却技术研究已历4040余年；累计达余年；累计达570MVA570MVA的运行经验。的运行经验。应用实例应用实例 19831983年，云南大寨水电厂年，云南大寨水电厂2 2台台10MW10MW水轮发电机；水轮发电机； 19921992年，安康火石岩电厂年，安康火石岩电厂52.5 MW52.5 MW汽轮发电机；汽轮发电机； 19991999年，青海李家峡电站年，青海李家峡电站44

23、0MW440MW水轮发电机；水轮发电机； 三峡电站将有两台三峡电站将有两台700MW700MW水轮发电机采用蒸发冷却；水轮发电机采用蒸发冷却； 蒸发冷却技术应用前景很好。蒸发冷却技术应用前景很好。三峡电站三峡电站:700MW:700MW水轮发电机水轮发电机3232台台, ,半水（内）半水（内）冷冷2424台台, ,全空冷全空冷6 6台台, ,蒸发冷却蒸发冷却2 2台。台。冷却方式冷却方式优点优点缺点缺点全空冷全空冷结构简单结构简单 、费用低廉、维护方、费用低廉、维护方便。便。通风损耗大，定、转子绕组通风损耗大，定、转子绕组温升高，影响绝缘寿命。温升高，影响绝缘寿命。半水（内）半水（内）冷冷水氢氢：兼有水、氢冷的水氢氢：兼有水、氢冷的优点；优点；水空空：兼有水、空冷的水空空：兼有水、空冷的优点。优点。水氢氢：兼有水、氢冷水氢氢：兼有水、氢冷的缺点的缺点水空空：兼有水、空冷水空空：兼有水、空冷的缺点的缺点蒸发冷却蒸发冷却可自然循环、冷却效果好，介可自然循环、冷却效果好，介质绝缘性好。质绝缘性好。需要低温汽化、低温液化介需要低温汽化、低温液化介质，介质成本稍高。质，介质成本稍