永磁直驱风力发电机、系统及其定子的制作方法

【技术领域】

[0001]本发明属于风电技术领域，具体涉及永磁直驱风力发电机、系统及其定子。

【背景技术】

[0002]现有技术中开启式永磁直驱外转子风力发电机，依靠自然风冷，开启结构利于自然通风换热，助于磁极使用永磁材料防止温升超标后的磁性降低，但是发电机通常暴露在极端恶劣的环境(暴露在风、霜、雨、雪、沙尘、盐雾等)条件下。

[0003]1、潮湿环境中电机内部水份的来源及其危害

[0004](I)水份的来源

[0005]潮湿环境较正常环境来说，雨、雪更容易进入电机内部，归纳起来水份的来源主要有以下几种:

[0006]户外运行的机舱外部的风力发电机，直接受到雨淋和雪水融化后的浸渍，少量水份通过电机旋转从环状间隙进入电机内部；潮湿天气中当发电机停止工作后，潮气进入发电机内部进而结露；长时间停运的发电机因潮气进入易受潮结露；恶劣环境中工作的风力发电机还可能遭受雨雪水浸泡等事故(排水孔堵塞)引起水份进入；发电机生产过程中未按工艺要求进行预烘或者浸漆后烘干不彻底造成的绝缘毛细孔中水份残存等等。

[0007](2)发电机绝缘容易受潮的原因

[0008]该部分主要引用论文《发电机绝缘容易受潮的原因分析》进行说明(作者:亓玉福QI Yu-fu刊名:大电机技术年，卷(期):2009 (4)) ο

[0009]空冷式发电机在停运状态下绝缘容易受潮，主要表现在泄漏电流显著增加、绝缘电阻显著降低。按照规定，绝缘电阻低到一定数值，是不允许运行的，必须进行干燥处理。

[0010]空冷式发电机绝缘容易受潮是由于它的运行状态和结构决定的。因为发电机的绝缘只能采用固体绝缘介质，嵌放在铁心槽内，不能像变压器那样浸放在绝缘油中，也不能像全封闭组合电器GIS—样，密封在充满SF6的密闭金属外壳中，发电机的绝缘只能暴露在空气中。正常运行过程中，发电机铁心、绕组产生的热量要靠流动的空气带走。当发电机产热和散热达到平衡时，发电机铁心、绕组温度保持在一定数值范围之内。发电机正常运行时，依靠自然风冷的外转子永磁直驱发电机内部也依靠从自然界侵入的空气充当冷却介质。铁心、绕组温度会比冷却介质空气的温度高，发电机停运后，铁心、绕组温度逐渐降低，由于空隙、气隙内空气热胀冷缩的作用，发电机内进入大量的空气以达到压力平衡。这时绝缘吸收空气中的水分而受潮，若在雷雨季节，雨后空气湿度更大，发电机绝缘受潮就更为严重。发电机绝缘受潮后，泄漏电流是正常值的几十倍甚至几百倍，绝缘电阻是正常值的几十分之一。从数据分析，发电机绝缘受潮很严重，不经过干燥处理，是不能运行的。发电机绝缘受潮严重，是从绝缘的测试数据角度来讲的。其实，绝缘受潮初期，只是表面吸附了水分，绝缘内部还没有受潮，与绝缘受到水浸后相比较，绝缘表面的水分还是微量的，干燥起来也容易得多。

[0011]电机的绝缘在空气湿度很大时，受潮导致绝缘电阻的降低需要很短的时间，一天甚至几个小时。这就要求雨天必须抵制雨水进入发电机内、或雨后及时将电机内湿空气带走。规程有明文规定:绝缘电阻不合格不能保证发电机运行不出事故，万一发生事故，势必造成很大的经济损失。必须经过干燥处理合格后才能运行。

[0012](3)发电机内部存在水份引起的危害

[0013]对于发电机来说，良好的绝缘是电机安全运行的前提条件，在定子绕组中无论是槽绝缘、层间绝缘、相间绝缘还是绑扎带以及电源引出线的外层，都有大量的毛细孔，很容易吸收空气中的潮气，降低自身的绝缘性能并使绝缘导热性变差，引起绝缘击穿进而损坏电机，造成人身、设备安全事故。相对湿度高易使表面凝附水膜，湿度高于95%以上时，电机内部经常凝聚水滴，使金属件易锈蚀，润滑脂受潮变质，绝缘材料有的受潮膨胀，有的发软发粘，机械和电气性能恶化，容易发生绝缘击穿和表面闪络。另外，在高湿环境下，霉菌也易滋长，而霉菌的分泌物能腐蚀金属和绝缘材料，使绝缘迅速恶化，引起短路事故。

[0014]2、现有技术的汇总分析

[0015](I)现有技术中常见的干燥方式

[0016]该部分将参照论文《发电机定子绕组绝缘受潮的现场干燥处理》(作者:林军，李云海，矫健，[中图分类号】TM311 [文献标识码]B【文章编号】1004-7913 (2009) 04— 0013—

02)中的内容进行说明。

[0017]发电机定子绕组受潮后，对于不同冷却方式、不同容量以及受潮程度不同的发电机，在进行干燥处理时所采用方法也各不相同，目前现场常用以下几种干燥方法。(a)定子铁损干燥法。该法对大型发电机尤其是运行过程中检修的发电机实际上没有可操作性。(b)外加电流干燥法。给转子线圈通入电流，利用铜损所产生的热量加热转子绕组。受现场容量限制，很难采用交流加热方法，因此一般采用直流电流加热。此方法需将发电机三相绕组串联，也可根据情况将分支解开再串联成一个回路。大型发电机电流比较大，一般按绕组分支加入直流。电源可采用电动盘车的电源或其它通过整流而得来的电源，小容量的发电机也可采用多台直流电焊机并联供电的方法。(C)外加热源法。在发电机风洞内，将定子上、下部挡风板打开，在定子绕组下部布置电热板或其它红外加热设备。此方法对体积较小的发电机比较有效。(d)三相短路干燥法。将发电机定子绕组出口处三相短路，然后使发电机组在额定转速范围内运转，通过调节励磁电流，使定子绕组电流随之上升、利用发电机自身电流所产生的热量，对绕组进行干燥。三相短路干燥需要发电机本身具备运转条件。(e)热水循环干燥法。定子线棒水内冷的发电机，可利用内冷水箱内的加热装置或临时接入电加热器将内冷水箱内的冷却水加热，水温不宜高于70°C，启动内冷水泵，用热水循环干燥定子线棒的绝缘。定子线棒水冷发电机现场多采用此方法，所作用的对象为地面作业的电机。

[0018]对于永磁直驱风力发电机为了干燥绝缘系统已经试用以上方法中的方案(b)。

[0019](2)其他干燥技术

[0020]论文《汽轮机停机后用热空气除湿干燥保养》

[0021]作者:陈行庚、曹祖庆；作者单位:东南大学江苏南京；母体文献:第四届全国火力发电技术学术年会论文集(上册)。

[0022]会议名称:第四届全国火力发电技术学术年会，会议时间:2003年11月01日。

[0023]汽轮机停机后利用未饱和的湿空气流过通流部分，吸收残留的水分，使机内干燥，防止汽轮机停机后发生锈蚀。为提高湿空气的吸湿能力，先将湿空气压缩后再通过加热器进行加热，然后再通入汽轮机吸收水分后排出。”排气的含湿量己降至预定指标，则表明机内已经干燥，可防止产生锈蚀。

[0024](3)论文《水毁电机的快速干燥方法》

[0025]作者:沈兆虎，刊名:中国农村水利水电年，卷(期):1999(1)。

[0026]受洪水浸泡后的电机需干燥，为缩短干燥时间，节约干燥经费，研制了一种远红外温控烘干器。这种烘干器简单、高效、实用、取材容易、成本低。

[0027]3、开启式机舱外风力发电机密封方案技术路线探索

[0028]密封可分为相对静止结合面间的静密封和相对运动结合面间的动密封两大类。这里，开启式机舱外风力发电机的密封部位有相对运动，属于旋转密封。根据密封件与其作相对运动的部件是否接触，动密封可以分为接触式密封和非接触式密封及无轴封。对于开启式机舱外风力发电机若采用接触式密封，在非雨、雪时段的干燥时间里就无法依靠相对干燥的气流对电机内部进行长期直接冷却。非接触式密封有迷宫密封和动力密封。迷宫密封是利用流体在间隙内的节流效应限漏，泄漏量较大，通常用在要求不高的场合。动力密封有离心密封、浮环密封、螺旋密封、气压密封、喷射密封、水力密封、磁流密封等，是靠动力元件产生压力来抵消密封两侧的压力差以克服泄露，它有很高的密封性，但能耗大。这类密封是利用流体力学的平衡状态而工作的。如果运转条件发生变化，就会引起泄漏量很大的波动。

[0029]迷宫密封也称梳齿密封，主要用于气体密封。它可以使流体经过许多节流间隙与膨胀空腔组成的通道，经过多次节流而产生很大的能量损耗，流体压力大为下降。在直驱外转子大尺度永磁风力发电机中可以借助“节流压降”这个特点构造密封环节。

[0030]气压密封利用空气压力来堵住旋转部件与静止部件之间的间隙，以保证密封。但要有一定压力的气源供气，气源在此密封处产生的压力要比电机外自然环境压力偏高。气压密封不受温度、速度限制，一般用于密封两侧压差不大的地方。

[0031]基于以上检索到的相关代表性论文来看，目前，运行在电网里的火力发电机组、水力发电机组、核电机组通常设置在一个固定的厂房内。通常，厂房内不会经遭受雨、雪的侵入。只是水电机组在经受洪水的淹没的情况下，上述发电机组采用的冷却介质(水)在发生泄露的情况下，地面运行的发电机组的运行条件维护的便利性都远远好于风电场运行的陆上或海上风力发电机组。发电机冷却方面，在充分利用自然环境中的风冷的便利和性能优越条件的同时，需要解决和要经受考验的是发电机的绝缘体系的绝缘水平。永磁直驱外转子风力发电机常年暴露在风、沙、雨、雪、太阳暴晒或停机后的冰冻环境之中，与地面运行的汽轮发电机、燃气轮发电机、水轮发电机所处的环境差距太大，尤其是有的修复工作成本太高，高空作业(60-100米)吊车使用需要费用高额支付。所以在地面上容易开展的工作到风力发电机里甚至就变得不可能。另一方面，风力发电机组中的操作还依赖于有风天气。风轮机带动发电机转子转动，发电机定子感应出电势，才可在定子出口实施三相短路，依靠短路电流产热来干燥定子，提高绝缘水平。同时还需根据当时风速大小，实施变桨间接控制发电机转子转速，进而控制短路电流，控制绕组产热来烘潮，这些条件都