3.2　臥式蒸發(fā)冷卻電機(jī)定子絕緣與傳熱系統(tǒng)的組成

不同結(jié)構(gòu)形式的電機(jī)，熱量的產(chǎn)生與分布差異較大。大容量的水輪發(fā)電機(jī)是立式結(jié)構(gòu)，直徑、體積也比較大，但軸向長度短，其冷卻問題相對(duì)來說比較容易解決。而大型驅(qū)動(dòng)用隔爆電動(dòng)機(jī)或者其他臥式結(jié)構(gòu)的電機(jī)，直徑比較小而軸向長度較長，或者直徑與軸向長度接近，導(dǎo)致中部的熱量不易散出來，發(fā)熱問題是比較嚴(yán)重的。

隔爆電動(dòng)機(jī)的定子是水平放置的結(jié)構(gòu)，其內(nèi)既有集中發(fā)熱體，如產(chǎn)生銅耗的定子繞組；又存在大量分散式發(fā)熱部件，如產(chǎn)生渦流與磁滯損耗的鐵芯疊片、在端部漏磁作用下產(chǎn)生附加損耗的鐵芯壓指、壓板。定子繞組是電機(jī)運(yùn)行中承受電壓最高的部件，對(duì)其絕緣強(qiáng)度的考核最嚴(yán)格，不僅要長期承受交流工作電壓，此外，還可能遇到短時(shí)過電壓等。因此，像隔爆電動(dòng)機(jī)這樣的臥式電機(jī)定子的冷卻與絕緣問題必須作為密不可分的有機(jī)整體來考慮。在電機(jī)各部分溫度沒有超過限額的情況下，定子電壓在額定值的±5%范圍內(nèi)變化時(shí)，其額定容量不變；電機(jī)不允許在長期過負(fù)荷情況下運(yùn)行，但當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生事故時(shí)，電機(jī)允許事故過負(fù)荷，且對(duì)過負(fù)荷的上限及時(shí)間均有嚴(yán)格的規(guī)定，例如一般電動(dòng)機(jī)過負(fù)荷數(shù)值最高為額定電流的115%，時(shí)間不超過30min。

從熱工及流體循環(huán)方面來看，盡管液體沸騰時(shí)有較大的吸熱能力，卻受到蒸發(fā)空間的限制。沸騰后的蒸氣需要占據(jù)一定的空間，若可提供循環(huán)的空間不足，必然增加流動(dòng)阻力，直接影響傳熱效果，使蒸發(fā)冷卻潛力未能完全發(fā)揮出來。針對(duì)類似于隔爆電動(dòng)機(jī)這樣的臥式電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，要充分利用蒸發(fā)冷卻能力，需要較大的蒸發(fā)空間，縮短循環(huán)路徑長度，以便減小阻力、流道暢通。這即指大空間浸潤式冷卻方式。

從電機(jī)冷卻需要來看，浸潤式（也稱為浸泡式）蒸發(fā)冷卻定子是將整個(gè)定子完全密封在腔體內(nèi)，被其內(nèi)充放的低沸點(diǎn)、高絕緣、不燃燒、無毒、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的液態(tài)蒸發(fā)冷卻介質(zhì)浸泡。出于保護(hù)驅(qū)動(dòng)用隔爆電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)中冶京誠（湘潭）重工設(shè)備有限公司的技術(shù)權(quán)益與經(jīng)濟(jì)利益，本書不能提供蒸發(fā)冷卻隔爆電動(dòng)機(jī)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，但是可以提供與之類似的結(jié)構(gòu)，如圖3-1所示，為50MW蒸發(fā)冷卻汽輪發(fā)電機(jī)的定子采用浸潤式蒸發(fā)冷卻的結(jié)構(gòu)簡圖，電機(jī)運(yùn)行時(shí)，繞組、鐵芯以及其他結(jié)構(gòu)部件由于各種損耗而產(chǎn)生大量熱量，使充滿在其周圍的冷卻介質(zhì)液體溫度升高，直至達(dá)到與腔體內(nèi)的壓力相對(duì)應(yīng)的液態(tài)介質(zhì)的飽和溫度開始沸騰，液態(tài)介質(zhì)吸熱汽化，呈氣、液兩相狀態(tài)，使發(fā)熱部件得以充分冷卻，又因沸騰換熱期間沸騰工質(zhì)的溫度基本分布在飽和溫度點(diǎn)附近，該飽和溫度即為蒸發(fā)冷卻介質(zhì)的沸點(diǎn)溫度，詳見表2-2，使介質(zhì)浸泡的各個(gè)定子部位溫度分布比較均勻，尤其是定子端部無局部過熱點(diǎn)，蒸氣介質(zhì)，其密度小于液態(tài)介質(zhì)，產(chǎn)生浮力而向上浮升遇到頂部的冷凝器，將熱量傳給二次冷凝水后冷凝成液體又滴回到原處，這樣實(shí)現(xiàn)了常溫下自循環(huán)、無噪聲的蒸發(fā)冷卻。從圖3-1中可以理解上述的常溫下蒸發(fā)冷卻自循環(huán)過程，無須任何外部動(dòng)力，這也是蒸發(fā)冷卻優(yōu)越于其他冷卻方式所在。從該50MW蒸發(fā)冷卻汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)測得的多組不同工況下的溫度數(shù)據(jù)看出，定子密封腔內(nèi)各處基本接近，一般僅幾攝氏度的差別，均說明端部區(qū)域及鐵芯的冷卻是相當(dāng)好的。

圖3-1　50MW蒸發(fā)冷卻汽輪發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)剖面圖

從電機(jī)絕緣角度來看，浸潤式（或稱浸泡式）蒸發(fā)冷卻電機(jī)定子如同油浸式冷卻變壓器一樣，形成一個(gè)良好的絕緣體系。一方面能夠全方位冷卻蒸發(fā)冷卻介質(zhì)能夠接觸到的定子結(jié)構(gòu)，使其溫度低且分布比較均勻，另一方面因所用的蒸發(fā)冷卻介質(zhì)較高的絕緣性能，如第2章所述，而為定子繞組提供了一個(gè)不同于其他冷卻方式的氣、液兩相絕緣環(huán)境，充滿在端部及槽間的工藝間隙內(nèi)，改善了電場分布不均勻情況及局部放電產(chǎn)生的條件，提高了電暈起始電壓，降低游離強(qiáng)度，再與繞組的固體絕緣材料配合就構(gòu)成了蒸發(fā)冷卻環(huán)境下的氣、液、固三相的絕緣系統(tǒng)。這一絕緣系統(tǒng)，對(duì)于大容量汽輪發(fā)電機(jī)向更高的絕緣和電壓等級(jí)發(fā)展，或者對(duì)于驅(qū)動(dòng)用隔爆電動(dòng)機(jī)等提高功率密度、縮小體積，都提供了很有利的先決條件，可以針對(duì)不同的機(jī)型研制出不同的新的定子絕緣結(jié)構(gòu)。