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新闻主题	发电机绕组温升限值及影响因素

 

摘要：众所周知，衡量发电机发热程度是用温升而不是用温度来计算的，其实温升指的是发电机运行时温度升高的现象，也是电气损耗、机械损耗、冷却效率及环境条件共同作用的结果。当温升突然增大或超过最高工作温度时，说明发电机已发生故障。根据GB755一2008《旋转电机定额和性能》中给出了旋转发电机绕组和相关部件的温升（温度限值）及其有关规定，本文中只给出用于中小型连续工作制（基准条件）采用周围空气间接冷却发电机的有关部分。

一、绝缘等级和温升的关系

 

1、绝缘材料的绝缘等级

      绝缘材料按耐热能力分为Y、A、E、B、F、H、C7个等级，其极限工作温度分别为90、105、120、130、155、180℃、及180℃以上。
      所谓绝缘材料的极限工作温度，系指发电机在设计预期寿命内，运行时绕组绝缘中最热点的温度。根据经验，A级材料在105℃、B级材料在130℃的情况下寿命可达10年，但在实际情况下环境温度和温升均不会长期达设计值，因此一般寿命在15～20年。如果运行温度长期超过材料的极限工作温度，则绝缘的老化加剧，寿命大大缩短。所以发电机在运行中，温度是影响绕组使用寿命的主要因素之一。

2、温升的概念

      温升是指电子电气设备中的各个部件高出环境的温度。导体通流后产生电流热效应，随着时间的推移，导体表面的温度不断地上升直至稳定。为验证电子产品的使用寿命、稳定性等特性，通常会测试其重要元件的温升，将被测设备置于高于其额定工作温度(t＝25℃)的某一特定温度(t＝70℃)下运行，稳定后记录其元件高于环境温度的温升，验证此产品的设计是否合理。稳定的判断条件是在所有测试点在1个小时测试间隔内前后温差不超过2k，此时测得任意测试点的温度与测试最后1/4周期环境温度平均值的差值称为温升，单位为k。

      温升是发电机与环境的温度差，是由发电机发热引起的。运行中的发电机铁芯处在交变磁场中会产生铁损，绕组通电后会产生铜损，还有其它杂散损耗等。这些都会使发电机温度升高。另一方面发电机也会散热。当发热与散热相等时即达到平衡状态，温度不再上升而稳定在一个水平上。当发热增加或散热减少时就会破坏平衡，使温度继续上升，扩大温差，则增加散热，在另一个较高的温度下达到新的平衡。但这时的温差即温升已比以前增大了，所以说温升是发电机设计及运行中的一项重要指标，标志着发电机的发热程度，在运行中，如发电机温升突然增大，说明发电机有故障，或风道阻塞或负荷太重。

 

二、发电机温升的影响因素

 

      发电机温升是运行过程中温度升高的现象，其影响因素复杂多样，主要可分为以下几类：

1、电气因素

（1）负载电流：电流增大导致铜损（I²R）显著增加，绕组发热加剧，温升升高。负载过载时尤为明显。

（2）电压与铁损：电压过高会增加铁芯的涡流损耗和磁滞损耗（铁损与电压平方成正比），导致发热量上升。

（3）谐波含量：谐波电流引起附加铜损和铁损，尤其是高频谐波会增加集肤效应，加剧局部温升。

（4）三相不平衡：不平衡负载导致某些相电流超过额定值，局部绕组过热，整体温升不均。

（5）励磁电流：励磁电流过大会增加转子绕组的电阻损耗，进而提升温升。

2、机械和冷却因素

（1）机械损耗：轴承摩擦、转子风阻及通风损耗等机械能转化为热能，直接影响温升。润滑不良会加剧摩擦损耗。

（2）冷却效率：冷却方式及系统状态（如风扇故障、冷却介质不足）决定散热能力。效率低下会导致热量积累。

（3）维护状况：积尘堵塞风道或散热片，降低冷却效果，需定期清理以维持散热性能。

3、环境因素

对于正常运行的发电机，理论上在额定负荷下其温升应与环境温度的高低无关，但实际上还是受环境温度等因素影响的。高温环境降低散热效率，相同负载下温升更高。海拔高度影响空气密度，高海拔地区冷却效果下降。

（1）当气温下降时，正常发电机的温升会稍许减少。这是因为绕组电阻R下降，铜耗减少。温度每降1℃，R约降0.4%。

（2）对自冷发电机，环境温度每增10℃，则温升增加1.5～3℃。这是因为绕组铜损随气温上升而增加。所以气温变化对大型发电机和封闭发电机影响较大。

（3）空气湿度每高10%，因导热改善，温升可降0.07～0.38℃，平均为0.19℃。

（4）高海拔地区空气稀薄，降低风冷效果，需特殊设计补偿。海拔以1000 m为标准，每升100 m，温升增加温升极限值的1%。

4、设计与材料

（1）绕组电阻与材料：导体材料（如铜vs铝）的电阻率差异影响铜损；截面积和长度设计优化可降低电阻。

（2）结构设计：散热路径设计（如通风槽、散热片）是否合理，直接影响热量散发效率。

（3）绝缘材料：绝缘性能影响允许温升上限，老化材料可能限制散热或引发局部热点。

5、运行条件

（1）运行时间与负载特性：持续高负载运行导致热量累积，短时过载可能引发瞬态温升。非线性负载增加谐波损耗。

（2）频率波动：频率异常可能改变铁损（涡流损耗与频率平方成正比），间接影响温升。

三、温升的测量方法

      通常说A级的极限工作温度为105℃，A级的最高允许工作温度是90℃。那么，极限工作温度与最高允许工作温度有何不同？其实，这与测量方法有关，不同的测量方法，其反映出的数值不同，含义也不一样。

1、温度计法

      用温度计法测量结果反映的是绕组绝缘的局部表面温度。这个数字平均比绕组绝缘的实际最高温度即“最热点”低15℃左右。该法最简单，在中、小发电机现场应用最广。

2、电阻法

      用电阻法测量结果反映的是整个绕组铜线温度的平均值。该数比实际最高温度按不同的绝缘等级降低5～15℃。该法是测出导体的冷态及热态电阻，按有关公式算出平均温升。

 

图1  发电机温升测量装置（温度计法）

图2  发电机温升试验电阻法

 

3、埋置温度计

      试验时将铜或铂电阻温度计或热电偶埋置在绕组、铁心或其它需要测量预期温度最高的部件里。其测量结果反映出测温元件接触处的温度。大型发电机常采用此法来监视发电机的运行温度。

4、目测法

      很多发电机厂家在测试电机系统温升时，都采用电机台架系统配合上位机进行测试，流程框图如图3所示。台架数据是台架端电脑记录的，通常需要两个人来配合试验，并且试验时间点的记录也是人眼观察到达时间点后，再观察温度信号值后记录此时刻的温度值。

      在温升试验过程中，先目测读取阻值数据，如图4所示。然后用笔手工记录下当前时刻的绕组阻值和对应时刻的时间点，并且根据记录下的一组绕组阻值和时间刻度，以时间刻度为横坐标，以绕组阻值为纵坐标，手工绘制出绕组阻值随时间变化的曲线。

 

图3  发电机温升测试流程框图

图4  发电机温升测量装置（目测法）

 

      
      发电机组启动运行后，满载运行约4～6h，发电机的温度和温升超过规定值。不同绝缘等级的发电机其各部分最高允许温度和温升有所不同，如表1和表2所示。各种测量方法所测量到的温度与实际最高温度都有一定差值，因此需将绝缘材料的“极限工作温度”减去此差值才是“最高允许工作温度”。

表1 同步发电机最高允许温度（环境温度为40℃）

 

四、发电机各部位的温度限度

1、与绕组接触的铁心

      温升（温度计法）应不超过所接触的绕组绝缘的温升限度（电阻法），即A级为60℃，E级为75℃，B级为80℃，F级为100℃，H级为125℃。

2、滚动轴承温度

      应不超过95℃，滑动轴承的温度应不超过80℃。因温度太高会使油质发生变化和破坏油膜。

3、用空气间接冷却绕组的温升限值

      发电机在额定状态下长期运行而达到热稳定时，发电机各部分温升的最大允许限值称为温升限值。发电机绕组的温升限值主要取决于发电机绝缘结构所能允许的极限温度和最高冷却介质温度，它们之间的关系为温升限值一极限温度一最高冷却介质温度一热点裕度绕组的热点裕度是指额定负载时绕组最热点的稳定温度与绕组平均温度之差。

4、非基准条件下绕组温升限值的修正

      基准条件是指环境温度最高为40℃，海拔不超过1000m的工作条件，规定的数值即为发电机在这种工作条件下运行时其绕组温升的限值。若发电机热试验或运行时所处的工作环境超过了基准条件时，则有可能对发电机的散热产生一定的影响，有必要时需规定的数值进行修正。

 

五、使用 COMSOL Multiphysics® 研究温升

 

      温度上升会影响发电机性能的几个方面。对于永磁体来说，温度从 20℃ 上升到 120 ℃，会导致磁通密度下降，最高可达 30%。这将导致转子扭矩和由此产生的效率的相应减少，并且也可能达到 30%。允许的最大温升通常是根据定子绕组的绝缘等级和永磁材料的退磁极限来确定的。经验发现，温度每上升 10 度，超过允许的极限，绝缘寿命就大约会减少一半。如果在极端的负载条件下，温度超过了绝缘极限，其后果可能是绝缘失效，匝间短路，最终导致定子线圈烧毁。

      使用损耗计算的铁和铜损耗可以耦合到传热 （HT）接口以分析热性能。COMSOL Multiphysics 中的传热 接口提供了多种研究机器冷却的方法。自然对流或强制对流可以隐式建模——通过使用外表面的传热系数——或显式建模，简单的说就是通过对发电机外表面上的层流或湍流流体流动进行建模。可以在不同冷却条件下对稳态温度进行比较研究，以确定最适合特定发电机应用的冷却方法。

      图5、图6表面图显示了转子额定转速和定子电流为 2A 时的温度（以度为单位）。在这种情况下，只需通过检查，我们就可以确定如果使用自然对流，就需要 180 （H） 的绝缘等级，如图5所示。如果使用强制对流，绝缘要求将降低到 130 （B） 级，如图6所示。在这里，我们假设已考虑到热退磁效应，因此选择了合适的永磁体材料。

 

图3  发电机热性能（B级温升）分析表面图

图4  发电机热性能（H级温升）分析表面图

 

总结：

综上所述，对发电机温升影响因素包括负载大小、电流大小、电阻损耗、冷却系统效率、环境温度、绝缘材料、机械损耗、运行时间、电压和频率、结构设计、三相平衡、谐波、维护状况、负载类型、额定容量匹配等方面。而主要控制温升方法涵盖优化负载管理、提升冷却系统效能、合理设计绕组及散热结构，并注重定期维护。实际运行中需综合考虑各因素，确保温升在安全限值内，延长设备寿命。

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