CN101132140B - 一种汽轮发电机定子绕组绝缘寿命的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽轮发电机定子绕组绝缘寿命的评价方法，其特征在于，采用C语言编写汽轮发电机定子绕组F级绝缘寿命设计的计算机软件，安装在汽轮发电机制造行业的设计或研究部门的计算机上，进行汽轮发电机定子绕组绝缘寿命的评价，其方法为：确定发电机的运行寿命指标值、计算定子绕组绝缘的热老化寿命、计算定子绕组绝缘的电老化寿命、计算定子绕组绝缘热老化累积寿命损耗、确定发电机定子绕组绝缘累积寿命损耗的界限值D_co、进行绝缘寿命评价及改进设计，本发明的优点是在设计阶段可以定量预测、定量评价和改进提高大功率汽轮发电机定子绕组F级绝缘寿命，可以使汽轮发电机F级绝缘寿命满足用户提出运行40年的技术要求。

Description

一种汽轮发电机定子绕组绝缘寿命的评价方法

技术领域

本发明涉及一种汽轮发电机定子绕组绝缘寿命的价方法，适用于300MW以上大功率汽轮发电机定子绕组F级绝缘寿命的设计与评价，属于汽轮发电机的技术领域。

背景技术

发电机的使用寿命与发电机绕组的绝缘寿命有关，由于定子绕组额定电压高且工作电流大，定子绕组的绝缘寿命已成为发电机绕组绝缘寿命的薄弱环节，现有的汽轮发电机的设计方法，可以在设计阶段确定汽轮发电机的效率，但在设计阶段还不能定量计算汽轮发电机定子绝缘寿命的设计值。大功率汽轮发电机定子绕组大多采用F级绝缘，汽轮发电机定子绕组F级绝缘寿命同热老化和电老化两个主要因素有关，目前在设计阶段对于汽轮发电机定子绕组F级绝缘寿命的设计计算、定量评价和改进提高还没有适合的方法可供使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种在设计阶段实现汽轮发电机定子绕组F级绝缘寿命的设计计算、定量评价和改进提高的汽轮发电机定子绕组绝缘寿命的评价方法。

为实现以上目的，本发明的技术方案是提供一种汽轮发电机定子绕组绝缘寿命的评价方法，其特征在于，

采用C语言编写汽轮发电机定子绕组F级绝缘寿命设计的计算机软件，安装在汽轮发电机制造行业的设计或研究部门的计算机上，进行汽轮发电机定子绕组绝缘寿命的评价，其方法为：

第一步：确定发电机的运行寿命指标值t_o

从20世纪90年代起，国内用户要求大功率汽轮发电机的使用寿命为40年，大功率汽轮发电机的年平均运行小时按7500小时计算，大功率汽轮发电机的运行寿命指标值t_o为t_o＝7500×40＝3×10⁵小时；

第二步：计算定子绕组绝缘的热老化寿命t_h

大功率汽轮发电机定子绕组F级绝缘的热老化寿命t_h的计算公式表示为：

t_h＝A×e^B/T

式中：T为定子绕组工作温度的上限值，取热力学绝对温度，单位K；A和B为汽轮发电机定子绕组F级绝缘热老化寿命的试验常数，根据多年从事汽轮发电机定子绕组F级绝缘寿命预测技术研究积累的经验，采用可靠性分析、数理统计和非线性回归分析方法，得出F级绝缘对应可靠度为95％的试验常数A和B的取值表示在表1；

[表1]

系数

取值范围

A	1.1735×108～1.7735×108
		B	1.131491×104～1.191491×104

第三步：计算定子绕组绝缘的电老化寿命t_e

大功率汽轮发电机定子绕组F级绝缘的电老化寿命t_e的计算公式表示为：

t_e＝CU_N ^-n

式中，U_N为发电机定子的额定电压，单位kV；C和n为汽轮发电机定子绕组F级绝缘电老化寿命的试验常数，根据多年从事发电机定子绕组F级绝缘寿命预测技术研究积累的经验，采用可靠性分析、数理统计和非线性回归分析方法，得出F级绝缘对应的可靠度为95％的试验常数C和n的取值表示在表2；

[表2]

系数	取值范围
		C	2.52869×1022～3.52869×1022
n	12.511369～13.311369

第四步：计算定子绕组绝缘热老化累积寿命损耗E_ho

大功率汽轮发电机定子绕组F级绝缘运行40年的热老化累积寿命损耗E_eo的计算公式表示为：

E_ho＝t_o/t_h

式中：t_o——发电机运行寿命指标值，小时

t_h——发电机定子绕组F级绝缘热老化寿命，小时

第五步：计算定子绕组绝缘电老化累积寿命损耗E_eo

大功率汽轮发电机定子绕组F级绝缘运行40年的电老化累积寿命损耗E_eo的计算公式表示为：

E_eo＝t_o/t_e

式中：t_o——发电机运行寿命指标值，小时

t_e——发电机定子绕组F级绝缘电老化寿命，小时

第六步：计算定子绕组累积寿命损耗预测值E_o

同时考虑热老化寿命损耗与电老化寿命损耗，大功率汽轮机发电机定子绕组F级绝缘运行40年的累积寿命损耗预测值E₀的计算公式表示为：

E_o＝E_ho+E_eo

式中：E_ho——定子绕组F级绝缘累积热老化寿命损耗

E_eo——定子绕组F级绝缘累积电老化寿命损耗

第七步：确定发电机定子绕组绝缘累积寿命损耗的界限值D_co

对于大功率汽轮机发电机定子绕组的F级绝缘，寿命设计主要考虑热老化累积寿命损耗与电老化累积寿命损耗。根据多年从事大功率汽轮发电机定子绕组F级绝缘寿命设计与预测技术研究工作累积的经验，定义大功率汽轮发电机F级绝缘累积寿命损耗的界限值D_co为D_co＝0.90；预留寿命损耗(1-D_co)＝0.10分配于汽轮发电机定子绕组F级绝缘的其他寿命损耗；

第八步：绝缘寿命评价

大功率汽轮发电机定子绕组F级绝缘的累积寿命损耗预测值E_o≤D_co，大功率汽轮发电机定子绕组F级绝缘的寿命预测值达到预期运行40年的优良值，寿命设计评价结束；

第九步：改进设计

当大功率汽轮发电机定子绕组F级绝缘的累积寿命损耗预测值E_o＞D_co时，改进大功率汽轮发电机设计参数和冷却方式，即降低额定电压或采用直接冷却来降低发电机温升，并再次进行定子绕组F级绝缘寿命的计算分析与评价，直到大功率汽轮发电机定子绕组F级绝缘的累积寿命损耗预测值E_o≤D_co，达到预期运行40年的优良值为止。

本发明实现了大功率汽轮发电机定子绕组F级绝缘寿命的定量计算和定量评价，应用于大功率汽轮发电机定子绕组F级绝缘寿命的设计计算和改进提高。

本发明的优点是在设计阶段可以定量预测、定量评价和改进提高大功率汽轮发电机定子绕组F级绝缘寿命，为大功率汽轮发电机定子绕组F级绝缘寿命的设计计算提供了技术手段，采用本发明提供的大功率汽轮发电机定子绕组F级绝缘寿命的设计方法及其评价方法，可以使汽轮发电机F级绝缘寿命满足用户提出运行40年的技术要求，如果大功率汽轮发电机定子绕组F级绝缘寿命没有达到预期运行40年的优良值，通过改进设计可以实现大功率汽轮发电机定子绕组F级绝缘的累积寿命损耗减少，达到延长发电机定子绕组F级绝缘寿命的技术效果。

附图说明

图1为本发明所采用方法的流程图；

图2为本发明所采用方法的计算机软件框图；

图3为发电机定子绕组绝缘寿命预测结果示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明

实施例

如图1所示，为本发明所采用方法的流程图；如图2所示，为采用C语言编写的汽轮发电机定子绕组F级绝缘寿命设计预测的计算机软件框图，安装在汽轮发电机制造行业的设计或研究部门的计算机上，本发明提供的汽轮发电机定子绕组F级绝缘寿命的设计方法，适用于300MW以上大功率汽轮发电机定子绕组F级绝缘寿命的设计与评价。

超临界和超超临界600MW机组配套的某型号600MW汽轮发电机，额定功率600MW，额定容量667MVA，额定功率因数cosφ＝0.9，发电机效率η＝98.8％，定子绕组采用F级绝缘和水内冷，使用图1所示的绝缘寿命设计与评价的流程和图2所示的计算机软件，对于该型号的汽轮发电机进行定子绕组绝缘寿命设计和评价，得出该汽轮发电机定子绕组绝缘寿命的评价结果。

第一步：该600MW汽轮发电机用户要求的运行寿命指标值t_o＝40年＝3×10⁵小时；

第二步：该600MW汽轮发电机定子绕组采用水内冷方式，定子绕组最大温升θ为θ＝50K，定子绕组工作温度的上限值T＝90+273＝363K，试验常数A和B按表1取变化范围的中间值，A＝1.4735×10^-8，B＝1.161491×10⁴；计算得t_h＝1.4735×10^-8e^{1.161491×10000/363}＝1.160031×10⁶小时；

第三步：该600MW汽轮发电机初步设计额定电压U_N＝22kV，试验数C和n按边2取变化范围的中间值，C＝3.02869×10²²，n＝12.911369；计算得，t_e＝3.02869×10²²×22^-12.911369＝1.408446×10⁵小时；

第四步：该600MW汽轮发电机定子绕组的绝缘热老化累积寿命损耗为：

$E_{\mathrm{ho}}=\frac{t_o}{t_h}=\frac{3\×{10}^5}{1.160031\×{10}^6}=0.2586;$

第五步：该600MW汽轮发电机定子绕组的绝缘电老化累积寿命损耗为：

$E_{\mathrm{eo}}=\frac{t_o}{t_e}=\frac{3\×{10}^5}{1.408446\×{10}^5}=2.1300;$

第六步：该汽轮发电机定子绕组绝缘的累积寿命损耗E_o＝E_ho+E_eo＝0.2586+2.1300＝2.3886；

第七步：取大功率汽轮发电机定子绕组F级绝缘累积寿命损耗的界限值D_co＝0.90；

第八步：初步设计方案的评价，由于E_o＝2.3886＞D_co＝0.90，该型号600MW发电机初步设计的定子绕组的绝缘寿命没有达到预期运行40年的优良值，其主要原因是电老化累积寿命损耗偏大。

第九步：改进设计方案。该汽轮发电机定子绕组仍采用F级绝缘和水内冷，t_h＝1.160031×106，E_h＝0.2586；改进设计方案把额定电压取为U_N＝20kV，计算得，t_e＝3.02869×10²²×20^-12.911369＝4.821437×10⁵小时，

E_o＝E_ho+E_eo＝0.8808＜D_co＝0.90改进设计方案的定子绕组绝缘累积寿命损耗的计算结果表示在图3，该汽轮发电机定子绕组绝缘寿命达到了预期运行40年的优良值。

采用本发明提供的汽轮发电机定子绕组绝缘寿命的设计及其评价方法，计算结果表明，电老化是该型号600MW汽轮发电机定子绕组F级绝缘寿命的薄弱环节之一，适当降低汽轮发电机设计的额定电压，有利于延长该600MW汽轮发电机定子绕组F级绝缘的寿命。应用本发明提供的汽轮发电机定子绕组绝缘寿命的设计方法及其评价方法，在设计阶段实现了定量预测、定量评价和改进提高600MW汽轮发电机定子绕组绝缘寿命并达到预期运行40年的技术效果，为超临界和超超临界机组配套的600MW汽轮发电机定子绕组F级绝缘寿命的设计计算与定量评价提供了技术手段。

Claims (1)

1.一种汽轮发电机定子绕组绝缘寿命的评价方法，其特征在于，采用C语言编写汽轮发电机定子绕组F级绝缘寿命设计的计算机软件，安装在汽轮发电机制造行业的设计或研究部门的计算机上，进行汽轮发电机定子绕组绝缘寿命的评价，其方法为：

第一步：确定发电机的运行寿命指标值t_o

从20世纪90年代起，国内用户要求大功率汽轮发电机的使用寿命为40年，大功率汽轮发电机的年平均运行小时按7500小时计算，大功率汽轮发电机的运行寿命指标值t_o为t_o＝7500×40＝3×10⁵小时；

第二步：计算定子绕组绝缘的热老化寿命t_h

大功率汽轮发电机定子绕组F级绝缘的热老化寿命t_h的计算公式表示为：

t_h＝A×e^B/T

式中：T为定子绕组工作温度的上限值，取热力学绝对温度，单位K；A和B为汽轮发电机定子绕组F级绝缘热老化寿命的试验常数，对应可靠度为95％的试验常数A和B的取值为；

A的取值为：1.1735×10⁸～1.7735×10⁸

B的取值为：1.131491×10⁴～1.191491×10⁴

第三步：计算定子绕组绝缘的电老化寿命t_e

大功率汽轮发电机定子绕组F级绝缘的电老化寿命t_e的计算公式表示为：

t_e＝CU_N ^-n

式中，U_N为发电机定子的额定电压，单位kV；C和n为汽轮发电机定子绕组F级绝缘电老化寿命的试验常数，对应的可靠度为95％的试验常数C和n的取值为；

C的取值为：2.52869×10²²～3.52869×10²²

n的取值为：12.511369～13.311369

第四步：计算定子绕组绝缘热老化累积寿命损耗E_ho

大功率汽轮发电机定子绕组F级绝缘运行40年的热老化累积寿命损耗E_eo的计算公式表示为：

E_ho＝t_o/t_h

式中：t_o——发电机运行寿命指标值，小时

t_h——发电机定子绕组F级绝缘热老化寿命，小时

第五步：计算定子绕组绝缘电老化累积寿命损耗E_eo

大功率汽轮发电机定子绕组F级绝缘运行40年的电老化累积寿命损耗E_eo的计算公式表示为：

E_eo＝t_o/t_e

式中：t_o——发电机运行寿命指标值，小时

t_e——发电机定子绕组F级绝缘电老化寿命，小时

第六步：计算定子绕组累积寿命损耗预测值E_o

大功率汽轮机发电机定子绕组F级绝缘运行40年的累积寿命损耗预测值E₀的计算公式表示为：

E_o＝E_ho+E_eo

式中：E_ho——定子绕组F级绝缘累积热老化寿命损耗

E_eo——定子绕组F级绝缘累积电老化寿命损耗

第七步：确定发电机定子绕组绝缘累积寿命损耗的界限值D_co

定义大功率汽轮发电机F级绝缘累积寿命损耗的界限值D_co为D_co＝0.90；预留寿命损耗(1-D_co)＝0.10分配于汽轮发电机定子绕组F级绝缘的其他寿命损耗；

第八步：绝缘寿命评价

大功率汽轮发电机定子绕组F级绝缘的累积寿命损耗预测值E_o≤D_co，大功率汽轮发电机定子绕组F级绝缘的寿命预测值达到预期运行40年的优良值，寿命设计评价结束；

第九步：改进设计

当大功率汽轮发电机定子绕组F级绝缘的累积寿命损耗预测值E_o＞D_co时，改进大功率汽轮发电机设计参数和冷却方式，即降低额定电压或采用直接冷却来降低发电机温升，并再次进行定子绕组F级绝缘寿命的计算分析与评价，直到大功率汽轮发电机定子绕组F级绝缘的累积寿命损耗预测值E_o≤D_co，达到预期运行40年的优良值为止。

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