高壓電動�(jī)是指額定電壓�1000V以上的電動機(jī)。常使用的是6000V�10000V電壓,由于國外的電網(wǎng)不同,也�3300V�6600V的電壓等�。高壓電動機(jī)�(chǎn)生是由于電機(jī)功率與電壓和電流的乘積成正比,因此低壓電�(jī)功率增大到一定程�(�300KW/380V)電流受到�(dǎo)線的允許承受能力的限制就難以做大,或成本過高。需要通過提高電壓�(shí)�(xiàn)大功率輸出� 高壓電機(jī)�(yōu)�(diǎn)是功率大,承受沖擊能力強(qiáng);缺�(diǎn)是慣性大,啟動和制動都困難�
1 概述
熱管式冷卻技�(shù)的發(fā)明可以溯源于1942年申請并�1944年公布的美國專利,而實(shí)際上最早的成功�(yīng)用是�1964年美國的宇航技�(shù)�,隨后在各國科學(xué)界的努力�,熱管技�(shù)在理論設(shè)�(jì)、制造工藝以及應(yīng)用領(lǐng)域上都取得了極大�(fā)�。目�,作為一種成熟的冷卻技�(shù),熱管作用高效傳熱元件已在許多工�(yè)�(lǐng)域得到推廣應(yīng)�。我國從上世紀(jì)50年代由中科院力學(xué)所等單位開始開展此�(xiàng)技�(shù)的研究工�,并陸續(xù)研制成功各種熱管�80年代以后我國更多單位參與熱管技�(shù)的應(yīng)用研�,而且在電子工�(yè)、空間技�(shù)、能源工程等�(lǐng)域獲得了成功�(yīng)用�
對于熱管在電�(jī)的冷卻技�(shù)中的�(yīng)用早已有人提�,并取得了一定的成果,還研制出一些容量比較小的電動機(jī)樣機(jī),但大多�(shù)工作仍處于試�(yàn)研究階段,離�(shí)際生�(chǎn)�(yīng)用有一段距�。研究者或者僅是提出了高壓電動�(jī)熱管式冷卻器的可行性研究論文[1>,或者僅綜述性地展望了熱管技�(shù)在電�(jī)冷卻方面的良好前景[2>,但正如文獻(xiàn)[2>作者十幾年前在文章�(jié)語中所說,“熱管在電機(jī)冷卻中的�(yīng)用還處于試驗(yàn)探索階段,試�(yàn)電機(jī)的容量都比較�。要�(shí)�(xiàn)熱管在電�(jī)冷卻(特別是大中型電�(jī))中的工�(yè)�(yīng)�,還要做大量的理論研究和試驗(yàn)分析工作?!蔽覀冊谶M(jìn)行此�(xiàng)“高壓電動機(jī)熱管式冷卻器研制”課題的研究、開�(fā)過程�,沒有可以模仿的先例,靠我們自己掌握的電機(jī)�(shè)�(jì)和制造基�(chǔ)以及其它行業(yè)成功的熱管技�(shù)�(yīng)用經(jīng)�(yàn),依靠良�(xiāng)電力修造廠雄厚的電�(jī)生產(chǎn)能力,完全靠自己走出了一條大中型電機(jī)冷卻技�(shù)的新��
為此,我們在大中型高壓電動機(jī)上應(yīng)用熱管冷卻技�(shù)方面�(jìn)行了探索性試�(yàn)和應(yīng)��
2 在火電廠大中型高壓電動機(jī)上應(yīng)用熱管技�(shù)的可行�
2.1 傳統(tǒng)列管式冷卻器存在的問�
大中型高壓電動機(jī)冷卻器目前廣泛采用列管式水—空型或空—空型結(jié)�(gòu)。運(yùn)行時(shí)水—空型冷卻器是冷卻管�(nèi)通冷卻水,電�(jī)�(nèi)部熱空氣在風(fēng)壓的作用下流過冷卻管的外表面,與管內(nèi)冷卻水�(jìn)行熱交換,達(dá)到冷卻電�(jī)的目�;空—空型冷卻器與水—空型冷卻器換熱原理一樣,只是冷卻管內(nèi)的冷卻水改成冷卻空氣而已�
若采用空—空換熱,即用外界冷空氣冷卻電機(jī)�(nèi)的熱空氣,熱空氣走管�,冷空氣走管�(nèi),存在的問題主要是管�(nèi)換熱面積小,流動阻力�,冷卻器重量較重�
如果采用水—空換熱,則電機(jī)�(nèi)的熱空氣走管�,冷卻水走管�(nèi),它存在原主要問題是�
◆對冷卻器使用的銅管材要求高,否則將造成銅管的脫鋅腐�,由此導(dǎo)致泄漏,漏入電機(jī)的水會造成電動�(jī)�(yán)�?fù)p壞事��
◆對冷卻水的要求高,如果水不干凈或夾帶泥沙容易堵塞管�,冷卻器維護(hù)量大,要定期對冷卻器管子�(jìn)行沖洗和捅刷,一旦磨損致使水漏入電機(jī),將造成電動�(jī)�(yán)�?fù)p壞事故;
◆由于水溫低,很容易出現(xiàn)局部管壁溫度低于電�(jī)�(nèi)空氣的露�(diǎn)溫度,凝�(jié)水夾帶在空氣�,將損壞電機(jī)的絕��
2.2 使用熱管式空氣冷卻器的優(yōu)�(diǎn)
熱管式冷卻器與上述兩種傳�(tǒng)冷卻器的換熱原理截然不同,利用的是冷卻介�(zhì)物態(tài)變化�(shí)的熱效應(yīng)原理,即冷卻介質(zhì)由液�(tài)�?yōu)闅鈶B(tài)�(shí)需要吸收熱�,由氣態(tài)變成液態(tài)�(shí)需要釋放熱�。這是一種全新的冷卻方式,為電機(jī)的冷卻開辟了新的途徑�
熱管式冷卻器代替常規(guī)的列管式冷卻器,將具有以下優(yōu)�(diǎn)�
a)對于空—空型換熱:
●利用熱管的高傳熱性能,將冷空氣的管內(nèi)換熱�(zhuǎn)換為管外換熱,這樣就很容易�(kuò)�
換熱面積,從而減少冷卻器的體積和重量�
●管外流動阻力小�
b)對于水—空型換熱:
●水不在每根管子的管�(nèi)�,而在熱管—端管外�,只要隔板密封的�,就可以避免水漏到電�(jī)�(nèi)�
●每根熱管都是獨(dú)立的傳熱元件,即使由于水沖磨損損�,水也不會漏到空氣一�(cè),這就能保證電�(jī)的安全運(yùn)�,而且,少�(shù)熱管的失效不會對整�(gè)�(shè)備的性能有什么影�。不像列管式冷卻器一旦泄�,必須停�(jī)處理�
●設(shè)�(jì)上便于調(diào)節(jié)熱管的表面溫�,以保持在循�(huán)空氣的露�(diǎn)溫度以上,避免冷凝水滴出�(xiàn)在空氣中,保證對電機(jī)的絕緣要��
2.3 熱管技�(shù)用于電機(jī)空氣冷卻器上需要解決的問題
由于大型電機(jī)�(shè)備要求必須保證安�、穩(wěn)定的�(yùn)�,熱管的�(shè)�(jì)和制作必須要滿足可靠性方面的苛刻要求�
熱管式冷卻器在高壓電動機(jī)上的�(yīng)�,主要技�(shù)難點(diǎn)是熱管型�、材�、工�、尺寸等�(shè)�(jì)參數(shù)的計(jì)算和選擇,以及在�(shí)際施工改裝方�,要求在原有電機(jī)列管式冷卻器的空間上�(jìn)行改�,冷卻效果原則上�(yīng)�(yōu)于原冷卻�,同�(shí)還要考慮控制生產(chǎn)成本等因�,盡量節(jié)約資��
從目前熱管技�(shù)的發(fā)展來�,無論是對空—空型換熱還是水—空型換�,設(shè)�(jì)�(yīng)該說比較成熟,工程設(shè)�(jì)參數(shù)也比較齊�。從我們對熱管技�(shù)的掌握情況來看,可供選擇的熱管類型包括管材和工質(zhì),是能夠滿足我們的�(shè)�(jì)要求��
為保證電動機(jī)長期可靠的工�,熱管材料和工質(zhì)的選擇以及制作工藝質(zhì)量的檢測等方面,需要嚴(yán)格把�(guān),不能留下質(zhì)量隱��
冷卻器容量的�(shè)�(jì)�,在考慮冷卻效果不低于原冷卻器的前提�,還要留有�(jìn)一步擴(kuò)展容量的空間,需要時(shí)可以靠增加熱管元件,方便地達(dá)到增大冷卻效果的目的。因此對熱管容量和結(jié)�(gòu)尺寸的設(shè)�(jì),應(yīng)�(dāng)對具體型號電動機(jī)有相對準(zhǔn)確和具體的計(jì)算方案�
3 熱管式冷卻器
隨著熱管技�(shù)的發(fā)�,目前可供選擇的材料、工藝以及設(shè)�(jì)參數(shù)都比較完備。具體的�(shè)�(jì)和計(jì)算,詳見本課題研制報(bào)�,不在此重復(fù)�
熱管冷卻器采用鋁軋翅片管,其�(jié)�(gòu)為分離式熱管�(jié)�(gòu),這樣比較容易布置換熱��
采用分離式熱管結(jié)�(gòu)便于布置電機(jī)循環(huán)氣流(熱氣流)和冷卻空氣(冷氣流)的流道,也減少了穿過隔板的管子根數(shù),對密封有利�
此外,熱管冷卻器�(shè)�(jì)為冷、熱氣流完全逆流換熱,可以減少使用熱管的�(shù)��
在熱管質(zhì)量保證方面,熱管工質(zhì)的選用要保證長壽命和安全�,選用氨作為�(jīng)過長期考驗(yàn)的工�(zhì),氨和鋁可以長期相容,工作的溫度范圍也適合作空氣冷卻器使用,而且它的熱性能也非常好�
4 試驗(yàn)電動�(jī)的選擇和安裝試驗(yàn)
根據(jù)良鄉(xiāng)電力修造廠正常的生�(chǎn)�(jìn)�,選擇了三臺不同型號的高壓電動機(jī)�(jìn)行了熱管式冷卻器的設(shè)�(jì)和計(jì)�,分別是YMKQ600-6�650kW6kV高壓電動�(jī)、YMK600-6-10�630kW10kV高壓電動�(jī)和YMKQ500-6�450kW6kV高壓電動�(jī),分別屬于三家不同的用戶,被拖動�(shè)備全部是磨煤�(jī)�
我們在�(jīng)過詳�(xì)論證和計(jì)算以�,在三臺電動�(jī)上分別安裝了熱管式冷卻器取代原設(shè)�(jì)的列管式冷卻��
三臺電動�(jī)中臺電機(jī)因某些客觀原因沒有�(jìn)行型式試�(yàn),但隨訪用戶反映電動�(jī)�(yùn)行情況良�,未見異常。后兩臺電動�(jī)專門取同樣型�,僅冷卻器是傳統(tǒng)的列管式冷卻器,分別在北京重型電�(jī)廠�(jìn)行包括性能考核在內(nèi)的型式試�(yàn)�4臺電動機(jī)的對比性試�(yàn)�(jié)果顯示電動機(jī)溫升有所降低,但不是十分明顯,這是�?yàn)闊峁茉O(shè)�(jì)�(shí)為控制試�(yàn)成本,取用的熱管容量與原冷卻器容量比較接近,在實(shí)際安裝空間上留有一定的�(kuò)展裕�,如果需要,完全可以再增大熱管容�,使溫度降得更多一些�
�(shí)際運(yùn)行和性能考核試驗(yàn)�(jié)果表�,我們在高壓電動�(jī)上安裝熱管式冷卻器技�(shù)改造項(xiàng)目是成功��
5 熱管冷卻器在電動�(jī)冷卻技�(shù)上的�(yīng)用前�
熱管式冷卻器與傳�(tǒng)的列管式空—空型或水—空型冷卻器相比�,因換熱原理不同,其�(yōu)�(diǎn)是顯而易見的。首先是換熱效率高,其次是相�(yīng)的冷卻器重量�,造價(jià)低,同時(shí)還不存在管道堵塞問題,使維護(hù)工作量減�,由于不用水,也就不存在漏水引起的電動機(jī)故障問題,對節(jié)約水資源也大為有益。熱管式冷卻器首次在高壓電動�(jī)上的成功�(yīng)用顯示應(yīng)用前景十分可觀�
1)在大中型高壓電動機(jī)上更換傳�(tǒng)的列管式空—空型冷卻器,可以改善冷卻效�,延長電動機(jī)的使用壽�,并減少了冷卻系�(tǒng)故障,從而提高了電動�(jī)的運(yùn)行可靠��
2)在大中型高壓電�(jī)上更換傳�(tǒng)的水—空型冷卻器,可以節(jié)約大量的水資�,在我國北方缺水地區(qū)具有重要的經(jīng)�(jì)�(jià)值和社會效益�
3)若在大型發(fā)電機(jī)上更換傳�(tǒng)的水—空型氣體(氫氣或空氣)冷卻�,既�(dá)到降低發(fā)電機(jī)溫升、提高出力能力的重要目的,還可以節(jié)約大量的水資��
4)我們這次只開�(fā)了空—空型熱管式冷卻�,今后若開發(fā)水—空型熱管式冷卻�,只需將熱管的冷端通水冷卻即可,這種熱管式冷卻器熱端置于電機(jī)頂部,與電機(jī)�(nèi)部熱空氣�(jìn)行換�,而把熱管冷端或置于電�(jī)頂上最上部,或置于電機(jī)�(cè)�,防止漏水引起電�(jī)故障,�(jìn)一步的研究有待于將來繼�(xù)�(jìn)��
5)發(fā)電機(jī)的冷卻器,無論是空氣冷卻器(如大多數(shù)水輪�(fā)電機(jī)和抽水蓄能發(fā)電—電動機(jī)、全空冷的汽輪發(fā)電機(jī))還是氫氣冷卻器(如采用氫氣冷卻的大多數(shù)大型汽輪�(fā)電機(jī)),其基本工作原理都與電動機(jī)的冷卻器一�,盡管冷卻器的內(nèi)部結(jié)�(gòu)有許多型式,但總體上說仍屬于傳統(tǒng)的列管式冷卻器�(jìn)行熱交換范疇,我們在電動�(jī)上的成功�(jīng)�(yàn),為下一步�(jìn)行發(fā)電機(jī)冷卻器的改造打下了很好的基�(chǔ)。發(fā)電機(jī)冷卻器的改造預(yù)期應(yīng)能取得類似電動機(jī)的效�,如降低電機(jī)�(nèi)部溫�、減少冷卻器故障幾率、減少檢修工作量、提高設(shè)備可靠性等�,其�(jīng)�(jì)效益將極為可觀�
6 �(yīng)用及效益分析
高壓電動�(jī)熱管式冷卻器的應(yīng)用單位主要是各發(fā)電廠以及其它工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)電動�(jī)檢修部門和電動機(jī)制造廠。由于此類電動機(jī)�(shù)量很�,并且在各種工業(yè)生產(chǎn)部門都屬于重�(diǎn)動力�(shè)備,所以項(xiàng)目的�(yīng)用對象非常廣�,應(yīng)用前景廣�,具有很大的�(jīng)�(jì)效益和社會效��
由于熱管式冷卻器比傳�(tǒng)的列管式冷卻器換熱效率高,并且冷卻器重量較輕,造價(jià)較低,同�(shí)還不存在管道堵塞問題,使維護(hù)工作量減少,由于不用�,也就不存在漏水引起的電動機(jī)故障問題,對節(jié)約水資源也大為有�,因此熱管式冷卻器在高壓電動�(jī)上應(yīng)用的�(jīng)�(jì)效益十分可觀�
1)在電廠大中型高壓電動機(jī)上更換傳�(tǒng)的列管式冷卻�,可以改善運(yùn)行條件和提高�(fā)電機(jī)組設(shè)備的可靠�,為電廠持續(xù)安全�(fā)電帶來良好的�(jīng)�(jì)效益,通常減少一次發(fā)電設(shè)備非正常停運(yùn)事故,避免的直接�(jīng)�(jì)損失以數(shù)百萬元計(jì)�,間接經(jīng)�(jì)損失更加巨大�
2)在大中型高壓電�(jī)上更換傳�(tǒng)的水—空型冷卻器,可以節(jié)約大量的水資�,在我國北方缺水地區(qū)具有重要的經(jīng)�(jì)�(jià)值和社會效益。資料顯�,單臺電動機(jī)節(jié)水可�(dá)38萬噸/年[1>�
3)若在大型發(fā)電機(jī)上應(yīng)用熱管式冷卻�,既可以�(dá)到降低發(fā)電機(jī)溫升、提高發(fā)電機(jī)可靠性的重要目的,還可以節(jié)約大量的水資�,其�(jīng)�(jì)效益將極為可觀�
全國僅各�(fā)電廠(暫不考慮其它工業(yè)部門)在�(yùn)的帶舊式冷卻器的高壓電動�(jī)�(shù)量為�(shù)千臺,做舊電動機(jī)改造的�(yīng)用前景就非常廣闊,同�(shí)每年電力部門新投�(chǎn)的高壓電動機(jī)有數(shù)百臺,采用此技�(shù)按保守計(jì)�,每年改裝或新生�(chǎn)合計(jì)不少�500�,每臺冷卻器�(chǎn)值按1.5萬元�2萬元�(jì)�,利潤按20%�(jì)算,則每年總的產(chǎn)值達(dá)�1千萬�,利潤超�200萬元�
由于高壓電動�(jī)�(shù)量巨�,并且在各種生產(chǎn)部門都屬于重�(diǎn)動力�(shè)�,其冷卻器改造項(xiàng)目可以帶來改善設(shè)備運(yùn)行條件、增長設(shè)備使用壽命和提高�(shè)備運(yùn)行可靠性指�(biāo),以及節(jié)約工�(yè)用水等好�,雖然每臺電動機(jī)的改造經(jīng)�(jì)效益相對還是有限�,但從整�(gè)部門、整�(gè)地區(qū),甚至全國范圍來�,其�(chuàng)造的�(jīng)�(jì)效益和社會效益就極其可觀�。另�,若�(jìn)一步開�(fā)成功�(fā)電機(jī)冷卻器上的應(yīng)用技�(shù),那么在單臺�(fā)電機(jī)上產(chǎn)生的�(jīng)�(jì)效益就將更為可觀�
7 �(jié)�
熱管式冷卻器取代傳統(tǒng)的列管式冷卻�,在高壓電動�(jī)上應(yīng)�,可以給電動�(jī)�(yùn)行性能和檢修維�(hù)帶來明顯的好��
首先�(shè)�(jì)適當(dāng)?shù)臒峁苁嚼鋮s器可以降低電動機(jī)的溫�,改善運(yùn)行狀�(tài),提高運(yùn)行性能,其次是減少了冷卻器的維�(hù)工作�,并且基本上避免了向電動�(jī)�(nèi)漏水的可能�,從而明顯地提高了電動機(jī)的運(yùn)行可靠�,這對保證�(fā)電廠�(fā)電設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行,無疑具有重要的實(shí)際意義和廣闊的工�(yè)�(yīng)用前�,具有明顯的社會效益和經(jīng)�(jì)效益�
熱管式冷卻器在高壓電動機(jī)上的�(yīng)�,主要技�(shù)難點(diǎn)是熱管型�、材�、工�、尺寸等�(shè)�(jì)參數(shù)的計(jì)算和選擇,以及在�(shí)際施工改裝方�,要求在原有電機(jī)列管式冷卻器的空間上�(jìn)行改裝,冷卻效果原則上應(yīng)�(yōu)于原冷卻�,同�(shí)還要考慮控制生產(chǎn)成本等因素,在初步探索性研究的熱管容量�(shè)�(jì)方面,已�(jīng)留有一定的裕度�
針對三臺不同容量的高壓電動機(jī)的空—空型熱管式冷卻器的�(shè)�(jì)和安裝是成功�。如果還需要再提高冷卻器冷卻效果,只需再增加幾只熱管就可以解決�
根據(jù)空—空型熱管式冷卻器的研制開發(fā)成功�(jīng)�(yàn),我們確信完全可以�(jìn)一步開�(fā)電動�(jī)水—空型熱管式冷卻器和汽輪�(fā)電機(jī) 用的水—空型熱管式氣體(氫氣或空氣)冷卻器,擴(kuò)大熱管式冷卻器在電廠電機(jī)�(shè)備的�(yīng)用范��
各種電動�(jī)中應(yīng)用最廣的是交流異步電動機(jī)(又稱感�(yīng)電動�(jī) �。它使用方便、運(yùn)行可靠、價(jià)格低�、結(jié)�(gòu)牢固,但功率因數(shù)較低,調(diào)速也較困�。大容量低轉(zhuǎn)速的動力�(jī)常用同步電動�(jī) (見同步電機(jī))。同步電動機(jī)不但功率因數(shù)�,而且其轉(zhuǎn)速與�(fù)載大小無�(guān),只決定于電�(wǎng)頻率。工作較�(wěn)�。在要求寬范圍調(diào)速的場合多用直流電動�(jī)。但它有換向器,�(jié)�(gòu)�(fù)�,價(jià)格昂�,維�(hù)困難,不適于惡劣�(huán)��20世紀(jì)70年代以后,隨著電力電子技�(shù)的發(fā)展,交流電動�(jī)的調(diào)速技�(shù)漸趨成熟,設(shè)備價(jià)格日益降低,已開始得到應(yīng)� 。電動機(jī)在規(guī)定工作制式(連續(xù)式、短�(shí)�(yùn)行制、斷�(xù)周期�(yùn)行制)下所能承�(dān)而不至引起電�(jī)過熱的輸出機(jī)械功率稱為它的額定功率,使用�(shí)需注意銘牌上的�(guī)�。電動機(jī)�(yùn)行時(shí)需注意使其�(fù)載的特性與電機(jī)的特性相匹配,避免出�(xiàn)飛車或停�(zhuǎn)。電動機(jī)能提供的功率范圍很大,從毫瓦級到萬千瓦級� 電動�(jī)的使用和控制非常方便,具有自起動、加�、制動、反�(zhuǎn)、掣住等能力,能滿足各種�(yùn)行要�;電動機(jī)的工作效率較高,又沒有煙�、氣�,不污染�(huán)�,噪聲也較小。由于它的一系列�(yōu)�(diǎn),所以在工農(nóng)�(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)�、國防、商�(yè)及家用電�、醫(yī)療電器設(shè)備等各方面廣泛應(yīng)�。一般電動機(jī)�(diào)速時(shí)其輸出功率會隨轉(zhuǎn)速而變��
電動�(jī)差動保護(hù)裝置主要用在大型高壓電動�(jī)�(fā)電廠,化工廠等地�。如果發(fā)生嚴(yán)重故障導(dǎo)致電�(jī)燒毀,將�(yán)重影響生�(chǎn)的正常�(jìn)行,造成巨大的經(jīng)�(jì)損失,因此必須對其提供完善的保護(hù)?,F(xiàn)有電動機(jī)綜合保護(hù)裝置主要針對中小型電動機(jī),為其提供電流速斷,熱過載反時(shí)限過�,兩段式定時(shí)限負(fù)序,零序電流,轉(zhuǎn)子停�,啟動時(shí)間過�,頻繁啟動等保護(hù)功能。而對�2000KW以上特大容量電動�(jī),則無法滿足其內(nèi)部故障時(shí)對保�(hù)靈敏度與速動性的要求,因而研制此裝置并配合綜合保�(hù)裝置,為高壓電動�(jī)提供更可靠更靈敏的保�(hù)措施。本裝置�(shè)�(jì)成三相式縱差,因?yàn)?000KW以上特大容量的電動機(jī)所在的3KV�6KV�10KV電網(wǎng)可能是變壓器中性點(diǎn)�(jīng)高電阻接地的電網(wǎng),三相式縱差保護(hù)不但能作為電動機(jī)定子繞組及引出線相間短路的主保護(hù),而且可作為單相接地故障的主保�(hù),作用于瞬時(shí)跳閘�