永磁直驅(qū)風力發(fā)電機、系統(tǒng)及其定子的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于風電技術領域，具體涉及永磁直驅(qū)風力發(fā)電機、系統(tǒng)及其定子。
【背景技術】
[0002]現(xiàn)有技術中開啟式永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子風力發(fā)電機，依靠自然風冷，開啟結構利于自然通風換熱，助于磁極使用永磁材料防止溫升超標后的磁性降低，但是發(fā)電機通常暴露在極端惡劣的環(huán)境(暴露在風、霜、雨、雪、沙塵、鹽霧等)條件下。
[0003]1、潮濕環(huán)境中電機內(nèi)部水份的來源及其危害
[0004](I)水份的來源
[0005]潮濕環(huán)境較正常環(huán)境來說，雨、雪更容易進入電機內(nèi)部，歸納起來水份的來源主要有以下幾種:
[0006]戶外運行的機艙外部的風力發(fā)電機，直接受到雨淋和雪水融化后的浸漬，少量水份通過電機旋轉(zhuǎn)從環(huán)狀間隙進入電機內(nèi)部；潮濕天氣中當發(fā)電機停止工作后，潮氣進入發(fā)電機內(nèi)部進而結露；長時間停運的發(fā)電機因潮氣進入易受潮結露；惡劣環(huán)境中工作的風力發(fā)電機還可能遭受雨雪水浸泡等事故(排水孔堵塞)引起水份進入；發(fā)電機生產(chǎn)過程中未按工藝要求進行預烘或者浸漆后烘干不徹底造成的絕緣毛細孔中水份殘存等等。
[0007](2)發(fā)電機絕緣容易受潮的原因
[0008]該部分主要引用論文《發(fā)電機絕緣容易受潮的原因分析》進行說明(作者:亓玉福QI Yu-fu刊名:大電機技術年，卷(期):2009 (4)) ο
[0009]空冷式發(fā)電機在停運狀態(tài)下絕緣容易受潮，主要表現(xiàn)在泄漏電流顯著增加、絕緣電阻顯著降低。按照規(guī)定，絕緣電阻低到一定數(shù)值，是不允許運行的，必須進行干燥處理。
[0010]空冷式發(fā)電機絕緣容易受潮是由于它的運行狀態(tài)和結構決定的。因為發(fā)電機的絕緣只能采用固體絕緣介質(zhì)，嵌放在鐵心槽內(nèi)，不能像變壓器那樣浸放在絕緣油中，也不能像全封閉組合電器GIS—樣，密封在充滿SF6的密閉金屬外殼中，發(fā)電機的絕緣只能暴露在空氣中。正常運行過程中，發(fā)電機鐵心、繞組產(chǎn)生的熱量要靠流動的空氣帶走。當發(fā)電機產(chǎn)熱和散熱達到平衡時，發(fā)電機鐵心、繞組溫度保持在一定數(shù)值范圍之內(nèi)。發(fā)電機正常運行時，依靠自然風冷的外轉(zhuǎn)子永磁直驅(qū)發(fā)電機內(nèi)部也依靠從自然界侵入的空氣充當冷卻介質(zhì)。鐵心、繞組溫度會比冷卻介質(zhì)空氣的溫度高，發(fā)電機停運后，鐵心、繞組溫度逐漸降低，由于空隙、氣隙內(nèi)空氣熱脹冷縮的作用，發(fā)電機內(nèi)進入大量的空氣以達到壓力平衡。這時絕緣吸收空氣中的水分而受潮，若在雷雨季節(jié)，雨后空氣濕度更大，發(fā)電機絕緣受潮就更為嚴重。發(fā)電機絕緣受潮后，泄漏電流是正常值的幾十倍甚至幾百倍，絕緣電阻是正常值的幾十分之一。從數(shù)據(jù)分析，發(fā)電機絕緣受潮很嚴重，不經(jīng)過干燥處理，是不能運行的。發(fā)電機絕緣受潮嚴重，是從絕緣的測試數(shù)據(jù)角度來講的。其實，絕緣受潮初期，只是表面吸附了水分，絕緣內(nèi)部還沒有受潮，與絕緣受到水浸后相比較，絕緣表面的水分還是微量的，干燥起來也容易得多。
[0011]電機的絕緣在空氣濕度很大時，受潮導致絕緣電阻的降低需要很短的時間，一天甚至幾個小時。這就要求雨天必須抵制雨水進入發(fā)電機內(nèi)、或雨后及時將電機內(nèi)濕空氣帶走。規(guī)程有明文規(guī)定:絕緣電阻不合格不能保證發(fā)電機運行不出事故，萬一發(fā)生事故，勢必造成很大的經(jīng)濟損失。必須經(jīng)過干燥處理合格后才能運行。
[0012](3)發(fā)電機內(nèi)部存在水份引起的危害
[0013]對于發(fā)電機來說，良好的絕緣是電機安全運行的前提條件，在定子繞組中無論是槽絕緣、層間絕緣、相間絕緣還是綁扎帶以及電源引出線的外層，都有大量的毛細孔，很容易吸收空氣中的潮氣，降低自身的絕緣性能并使絕緣導熱性變差，引起絕緣擊穿進而損壞電機，造成人身、設備安全事故。相對濕度高易使表面凝附水膜，濕度高于95%以上時，電機內(nèi)部經(jīng)常凝聚水滴，使金屬件易銹蝕，潤滑脂受潮變質(zhì)，絕緣材料有的受潮膨脹，有的發(fā)軟發(fā)粘，機械和電氣性能惡化，容易發(fā)生絕緣擊穿和表面閃絡。另外，在高濕環(huán)境下，霉菌也易滋長，而霉菌的分泌物能腐蝕金屬和絕緣材料，使絕緣迅速惡化，引起短路事故。
[0014]2、現(xiàn)有技術的匯總分析
[0015](I)現(xiàn)有技術中常見的干燥方式
[0016]該部分將參照論文《發(fā)電機定子繞組絕緣受潮的現(xiàn)場干燥處理》(作者:林軍，李云海，矯健，[中圖分類號】TM311 [文獻標識碼]B【文章編號】1004-7913 (2009) 04— 0013—02)中的內(nèi)容進行說明。
[0017]發(fā)電機定子繞組受潮后，對于不同冷卻方式、不同容量以及受潮程度不同的發(fā)電機，在進行干燥處理時所采用方法也各不相同，目前現(xiàn)場常用以下幾種干燥方法。(a)定子鐵損干燥法。該法對大型發(fā)電機尤其是運行過程中檢修的發(fā)電機實際上沒有可操作性。(b)外加電流干燥法。給轉(zhuǎn)子線圈通入電流，利用銅損所產(chǎn)生的熱量加熱轉(zhuǎn)子繞組。受現(xiàn)場容量限制，很難采用交流加熱方法，因此一般采用直流電流加熱。此方法需將發(fā)電機三相繞組串聯(lián)，也可根據(jù)情況將分支解開再串聯(lián)成一個回路。大型發(fā)電機電流比較大，一般按繞組分支加入直流。電源可采用電動盤車的電源或其它通過整流而得來的電源，小容量的發(fā)電機也可采用多臺直流電焊機并聯(lián)供電的方法。(C)外加熱源法。在發(fā)電機風洞內(nèi)，將定子上、下部擋風板打開，在定子繞組下部布置電熱板或其它紅外加熱設備。此方法對體積較小的發(fā)電機比較有效。(d)三相短路干燥法。將發(fā)電機定子繞組出口處三相短路，然后使發(fā)電機組在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)，通過調(diào)節(jié)勵磁電流，使定子繞組電流隨之上升、利用發(fā)電機自身電流所產(chǎn)生的熱量，對繞組進行干燥。三相短路干燥需要發(fā)電機本身具備運轉(zhuǎn)條件。(e)熱水循環(huán)干燥法。定子線棒水內(nèi)冷的發(fā)電機，可利用內(nèi)冷水箱內(nèi)的加熱裝置或臨時接入電加熱器將內(nèi)冷水箱內(nèi)的冷卻水加熱，水溫不宜高于70°C，啟動內(nèi)冷水泵，用熱水循環(huán)干燥定子線棒的絕緣。定子線棒水冷發(fā)電機現(xiàn)場多采用此方法，所作用的對象為地面作業(yè)的電機。
[0018]對于永磁直驅(qū)風力發(fā)電機為了干燥絕緣系統(tǒng)已經(jīng)試用以上方法中的方案(b)。
[0019](2)其他干燥技術
[0020]論文《汽輪機停機后用熱空氣除濕干燥保養(yǎng)》
[0021]作者:陳行庚、曹祖慶；作者單位:東南大學江蘇南京；母體文獻:第四屆全國火力發(fā)電技術學術年會論文集(上冊)。
[0022]會議名稱:第四屆全國火力發(fā)電技術學術年會，會議時間:2003年11月01日。
[0023]汽輪機停機后利用未飽和的濕空氣流過通流部分，吸收殘留的水分，使機內(nèi)干燥，防止汽輪機停機后發(fā)生銹蝕。為提高濕空氣的吸濕能力，先將濕空氣壓縮后再通過加熱器進行加熱，然后再通入汽輪機吸收水分后排出?！迸艢獾暮瑵窳考航抵令A定指標，則表明機內(nèi)已經(jīng)干燥，可防止產(chǎn)生銹蝕。
[0024](3)論文《水毀電機的快速干燥方法》
[0025]作者:沈兆虎，刊名:中國農(nóng)村水利水電年，卷(期):1999(1)。
[0026]受洪水浸泡后的電機需干燥，為縮短干燥時間，節(jié)約干燥經(jīng)費，研制了一種遠紅外溫控烘干器。這種烘干器簡單、高效、實用、取材容易、成本低。
[0027]3、開啟式機艙外風力發(fā)電機密封方案技術路線探索
[0028]密封可分為相對靜止結合面間的靜密封和相對運動結合面間的動密封兩大類。這里，開啟式機艙外風力發(fā)電機的密封部位有相對運動，屬于旋轉(zhuǎn)密封。根據(jù)密封件與其作相對運動的部件是否接觸，動密封可以分為接觸式密封和非接觸式密封及無軸封。對于開啟式機艙外風力發(fā)電機若采用接觸式密封，在非雨、雪時段的干燥時間里就無法依靠相對干燥的氣流對電機內(nèi)部進行長期直接冷卻。非接觸式密封有迷宮密封和動力密封。迷宮密封是利用流體在間隙內(nèi)的節(jié)流效應限漏，泄漏量較大，通常用在要求不高的場合。動力密封有離心密封、浮環(huán)密封、螺旋密封、氣壓密封、噴射密封、水力密封、磁流密封等，是靠動力元件產(chǎn)生壓力來抵消密封兩側的壓力差以克服泄露，它有很高的密封性，但能耗大。這類密封是利用流體力學的平衡狀態(tài)而工作的。如果運轉(zhuǎn)條件發(fā)生變化，就會引起泄漏量很大的波動。
[0029]迷宮密封也稱梳齒密封，主要用于氣體密封。它可以使流體經(jīng)過許多節(jié)流間隙與膨脹空腔組成的通道，經(jīng)過多次節(jié)流而產(chǎn)生很大的能量損耗，流體壓力大為下降。在直驅(qū)外轉(zhuǎn)子大尺度永磁風力發(fā)電機中可以借助“節(jié)流壓降”這個特點構造密封環(huán)節(jié)。
[0030]氣壓密封利用空氣壓力來堵住旋轉(zhuǎn)部件與靜止部件之間的間隙，以保證密封。但要有一定壓力的氣源供氣，氣源在此密封處產(chǎn)生的壓力要比電機外自然環(huán)境壓力偏高。氣壓密封不受溫度、速度限制，一般用于密封兩側壓差不大的地方。
[0031]基于以上檢索到的相關代表性論文來看，目前，運行在電網(wǎng)里的火力發(fā)電機組、水力發(fā)電機組、核電機組通常設置在一個固定的廠房內(nèi)。通常，廠房內(nèi)不會經(jīng)遭受雨、雪的侵入。只是水電機組在經(jīng)受洪水的淹沒的情況下，上述發(fā)電機組采用的冷卻介質(zhì)(水)在發(fā)生泄露的情況下，地面運行的發(fā)電機組的運行條件維護的便利性都遠遠好于風電場運行的陸上或海上風力發(fā)電機組。發(fā)電機冷卻方面，在充分利用自然環(huán)境中的風冷的便利和性能優(yōu)越條件的同時，需要解決和要經(jīng)受考驗的是發(fā)電機的絕緣體系的絕緣水平。永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子風力發(fā)電機常年暴露在風、沙、雨、雪、太陽暴曬或停機后的冰凍環(huán)境之中，與地面運行的汽輪發(fā)電機、燃氣輪發(fā)電機、水輪發(fā)電機所處的環(huán)境差距太大，尤其是有的修復工作成本太高，高空作業(yè)(60-100米)吊車使用需要費用高額支付。所以在地面上容易開展的工作到風力發(fā)電機里甚至就變得不可能。另一方面，風力發(fā)電機組中的操作還依賴于有風天氣。風輪機帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，發(fā)電機定子感應出電勢，才可在定子出口實施三相短路，依靠短路電流產(chǎn)熱來干燥定子，提高絕緣水平。同時還需根據(jù)當時風速大小，實施變槳間接控制發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，進而控制短路電流，控制繞組產(chǎn)熱來烘潮，這些條件都依賴于天氣。況且風的持續(xù)長短影響