3.2　卧式蒸发冷却电机定子绝缘与传热系统的组成

不同结构形式的电机，热量的产生与分布差异较大。大容量的水轮发电机是立式结构，直径、体积也比较大，但轴向长度短，其冷却问题相对来说比较容易解决。而大型驱动用隔爆电动机或者其他卧式结构的电机，直径比较小而轴向长度较长，或者直径与轴向长度接近，导致中部的热量不易散出来，发热问题是比较严重的。

隔爆电动机的定子是水平放置的结构，其内既有集中发热体，如产生铜耗的定子绕组；又存在大量分散式发热部件，如产生涡流与磁滞损耗的铁芯叠片、在端部漏磁作用下产生附加损耗的铁芯压指、压板。定子绕组是电机运行中承受电压最高的部件，对其绝缘强度的考核最严格，不仅要长期承受交流工作电压，此外，还可能遇到短时过电压等。因此，像隔爆电动机这样的卧式电机定子的冷却与绝缘问题必须作为密不可分的有机整体来考虑。在电机各部分温度没有超过限额的情况下，定子电压在额定值的±5%范围内变化时，其额定容量不变；电机不允许在长期过负荷情况下运行，但当系统发生事故时，电机允许事故过负荷，且对过负荷的上限及时间均有严格的规定，例如一般电动机过负荷数值最高为额定电流的115%，时间不超过30min。

从热工及流体循环方面来看，尽管液体沸腾时有较大的吸热能力，却受到蒸发空间的限制。沸腾后的蒸气需要占据一定的空间，若可提供循环的空间不足，必然增加流动阻力，直接影响传热效果，使蒸发冷却潜力未能完全发挥出来。针对类似于隔爆电动机这样的卧式电机的定子结构特点，要充分利用蒸发冷却能力，需要较大的蒸发空间，缩短循环路径长度，以便减小阻力、流道畅通。这即指大空间浸润式冷却方式。

从电机冷却需要来看，浸润式（也称为浸泡式）蒸发冷却定子是将整个定子完全密封在腔体内，被其内充放的低沸点、高绝缘、不燃烧、无毒、化学性质稳定的液态蒸发冷却介质浸泡。出于保护驱动用隔爆电动机生产企业中冶京诚（湘潭）重工设备有限公司的技术权益与经济利益，本书不能提供蒸发冷却隔爆电动机的详细结构，但是可以提供与之类似的结构，如图3-1所示，为50MW蒸发冷却汽轮发电机的定子采用浸润式蒸发冷却的结构简图，电机运行时，绕组、铁芯以及其他结构部件由于各种损耗而产生大量热量，使充满在其周围的冷却介质液体温度升高，直至达到与腔体内的压力相对应的液态介质的饱和温度开始沸腾，液态介质吸热汽化，呈气、液两相状态，使发热部件得以充分冷却，又因沸腾换热期间沸腾工质的温度基本分布在饱和温度点附近，该饱和温度即为蒸发冷却介质的沸点温度，详见表2-2，使介质浸泡的各个定子部位温度分布比较均匀，尤其是定子端部无局部过热点，蒸气介质，其密度小于液态介质，产生浮力而向上浮升遇到顶部的冷凝器，将热量传给二次冷凝水后冷凝成液体又滴回到原处，这样实现了常温下自循环、无噪声的蒸发冷却。从图3-1中可以理解上述的常温下蒸发冷却自循环过程，无须任何外部动力，这也是蒸发冷却优越于其他冷却方式所在。从该50MW蒸发冷却汽轮发电机组运行时测得的多组不同工况下的温度数据看出，定子密封腔内各处基本接近，一般仅几摄氏度的差别，均说明端部区域及铁芯的冷却是相当好的。

图3-1　50MW蒸发冷却汽轮发电机定子结构剖面图

从电机绝缘角度来看，浸润式（或称浸泡式）蒸发冷却电机定子如同油浸式冷却变压器一样，形成一个良好的绝缘体系。一方面能够全方位冷却蒸发冷却介质能够接触到的定子结构，使其温度低且分布比较均匀，另一方面因所用的蒸发冷却介质较高的绝缘性能，如第2章所述，而为定子绕组提供了一个不同于其他冷却方式的气、液两相绝缘环境，充满在端部及槽间的工艺间隙内，改善了电场分布不均匀情况及局部放电产生的条件，提高了电晕起始电压，降低游离强度，再与绕组的固体绝缘材料配合就构成了蒸发冷却环境下的气、液、固三相的绝缘系统。这一绝缘系统，对于大容量汽轮发电机向更高的绝缘和电压等级发展，或者对于驱动用隔爆电动机等提高功率密度、缩小体积，都提供了很有利的先决条件，可以针对不同的机型研制出不同的新的定子绝缘结构。