第5.3和5.4节讨论的转子和它们的绝缘被称作间接冷却隐极转子绕组。这种冷却方式,绕组槽部产生的热量必须通过主绝缘或槽绝缘进入每两线圈槽之间的钢齿部,同时也进入线圈槽之间的冷却槽中。冷却气体被强迫穿过冷却槽和它们开有通风口的槽楔散掉热量。
当对铜线采用直接冷却方式时,转子绕组就可以承载比间接冷却大得多的电流也不会过热。这就大大地提高了排出热量的效率,允许增加励磁绕组的电流密度。直接冷却的转子有几种型式,它们共同的特点是冷却介质直接与铜匝线接触并带走绝大部分热量。这种结构特点增加了转子绝缘的复杂性。直接冷却并不一定能取消转子的冷却槽,浅浅的冷却槽仍可以用于带走转子钢中产生的热量和铜线I2R损耗中的一部分热量。
复杂性最低的设计是让冷却气体从线圈槽下面的副槽简单地沿径向流动,先穿过槽绝缘,再向上穿过匝绝缘和槽内铜线上的径向通风道,最后经过楔下垫条和紧固线圈的钢质或铝槽楔流出(见图1.23),再进入转子和定子铁心内膛之间的气隙中。铜匝线、副槽和槽楔上的通风孔道通常是与转子轴垂直的,因此在铜线和匝绝缘上冲孔,以及在楔下垫条和槽楔上机加工通风孔都比较经济。
简单的径向直接冷却隐极转子的绝缘组件,通常是用间接冷却设计中类似部件同样的材料制成。额定功率为50MW以上的发电机,最常见的选择是用环氧玻璃纤维层压板作为对地绝缘(常常是两个“L”形板材)、匝绝缘、楔下垫条、绕组端部挡块和护环绝缘。额定功率50MW及以下的较小型发电机,采用芳香族聚酰胺纸等板材制作对地绝缘。槽部绝缘元部件在横截面形状和厚度上比较复杂,因为它们含有气体流动的冷却孔道。副槽比线圈槽要窄一些,并且要安装绝缘层压盖板,以支撑线圈和对钢质的副槽壁提供一个爬电的间距。线圈体顶部的楔下垫条可以放置到槽绝缘的顶部,它们的厚度必须能提供钢或铝槽楔和线圈槽顶部之间的爬电距离。匝绝缘和楔下垫条都必须有很高的抗压强度,因为它们必须承受线圈在最大的设计超速状态下向上的离心载荷力。(www.xing528.com)
最大型发电机所采用的直接(气体)冷却转子设计比较复杂,这种转子在线圈槽部和护环下的局部采用空心铜截面,因此,在同一个匝线上的这两段区间上就可能需要机加工出凹槽和孔洞,在整个线圈组合到一起时,这些凹槽和孔洞就为相邻的匝线提供了开放式的冷却气体来源。这种设计还可能采用副槽提供部分冷却气体,或者依靠攫取沿径向从轭背向内流动穿过定子铁心到达气隙中的冷却气体,来进一步冷却转子。穿过转子铜线的气流最终返回到气隙中的出风区,这个区域定子径向通风道中的气流方向与前述相反,是径向朝外流出定子。这种设计中尽管使用的绝缘材料与前面是同样的,但是楔下垫条的加工还有一些细节的不同。
直接冷却转子的顶级型式是保留给最大型发电机的,其额定功率通常超过1200MW。巨大的转子使用冷却水循环穿过线圈的空心匝线来带走热量。这是非常有效的散热方式,与直接水冷却的定子线圈一起使用,使得建造、运输和安装这种发电机成为可能。因为冷却水绝不可能达到沸点,这些电机中的绝缘的热稳定性能,就不必像典型的空气间接冷却发电机中要求那么高了。不过,机械特性的要求依然非常高,所以绝缘材料的选择没有什么变化。
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