抱子石水電廠1 號機定子改造技術(shù)

宋和斌，祝初等，幸 波

（江西贛能股份有限公司抱子石水電廠，江西 九江 332400）

1 電站概況

抱子石水電站位于江西省修水縣城下游，是修河干流10 個梯級電站中的第6 個梯級電站。電站安裝兩臺燈泡貫流式水輪發(fā)電機組，總裝機2×20 MW。電站兩臺機組分別于2004 年2 月、6月相繼投產(chǎn)發(fā)電。

發(fā)電機定子機座采用整圓結(jié)構(gòu)，由鋼板焊接而成。定子鐵心為貼壁式，無徑向通風(fēng)溝，采用優(yōu)質(zhì)低損耗硅鋼片疊壓而成。改造前發(fā)電機基本參數(shù)如表1 所示。

表1 改造前發(fā)電機基本參數(shù)

2 存在的問題

抱子石電站1 號機自2004 年投產(chǎn)以來一直存在著定子溫升偏高的問題。雖對通風(fēng)系統(tǒng)進行了多次改造，發(fā)電機的運行條件有所改善，但因未對定子做結(jié)構(gòu)性的改造，定子運行溫度偏高、定子鐵心松動等問題一直未能得到徹底解決。

2.1 定子溫度偏高

改造前抱子石電站1 號機帶17 MW 有功時，定子最高運行溫度超過120 ℃。為確保發(fā)電機安全穩(wěn)定運行，發(fā)電機不得不長期限負荷運行。

2.2 定子鐵心松動

經(jīng)過近20 年的運行，抱子石電站1 號機出現(xiàn)了大面積的定子鐵心松動。還曾由于定子鐵心松動磨損了線棒端部，引起了定子一點接地故障的發(fā)生。

圖1 定子一點接地故障現(xiàn)場照片

2.3 空氣冷卻器換熱容量小

發(fā)電機采用密閉強迫通風(fēng)系統(tǒng)，在定子上游側(cè)設(shè)有6 個空氣冷卻器用于帶走發(fā)電機內(nèi)部產(chǎn)生的大部分熱量。由于空氣冷卻器換熱容量較小，使得發(fā)電機散熱能力不足。

3 原因分析

3.1 定子溫度偏高原因分析

（1）電磁設(shè)計方面

分析改造前發(fā)電機的基本參數(shù)可知，原發(fā)電機電磁設(shè)計時選取了較高的熱負荷、電密以及定子溫升等參數(shù)，選擇較高的電負荷水平雖然可以減少有效材料的用量，但也會使定子產(chǎn)熱增加，引起定子溫升偏高。

（2）散熱方面

抱子石電站發(fā)電機為貼壁燈泡貫流式水輪發(fā)電機，機組產(chǎn)生的熱量主要是通過定子機座壁和通風(fēng)冷卻系統(tǒng)帶走。

由于貼壁式機組實際運行時散熱能力受到機座與鐵心貼合程度的影響，機座壁的散熱能力往往達不到理想值。若機座壁散熱能力不佳，多余的熱量只能通過通風(fēng)系統(tǒng)帶走，從而增加通風(fēng)系統(tǒng)散熱負荷。若風(fēng)機風(fēng)量或空冷器換熱容量余量不足，熱量會在發(fā)電機內(nèi)部累積使其環(huán)境溫度升高，從而引起定子溫升偏高。

3.2 定子鐵心松動原因分析

（1）定子溫度偏高

由于定子運行溫度過高，定子鐵心熱膨脹后受軸向應(yīng)力作用產(chǎn)生翹曲變形。發(fā)電機啟停以及負載變化使定子鐵心溫度發(fā)生冷熱交替，長期多次的熱脹冷縮引起鐵心松動[1]。

（2）定子鐵心壓緊方式不可靠

抱子石電站機組定子鐵心采用焊接齒壓板壓緊結(jié)構(gòu)，該鐵心壓緊方式無彈性儲備。發(fā)電機經(jīng)過一段時間運行以后，定子沖片表面漆膜收縮、冷熱態(tài)交替以及鐵心在工作狀態(tài)下的正?；虍惓Ｕ駝拥仍蚓鶗鸲ㄗ予F心松動。

4 解決措施

4.1 優(yōu)化電磁設(shè)計

由于改造前機組電磁設(shè)計時選取的熱負荷、電密以及定子設(shè)計溫升等參數(shù)較高，制定的改造方案需要增加有效材料的用量，以降低定子電密和熱負荷，從而降低定子最高溫升。

4.2 選擇更加可靠的發(fā)電機貼壁技術(shù)

貼壁貫流機組定子鐵心背部與機座間隙的處理對定子溫升影響很大。抱子石1 號機定子改造采用了導(dǎo)熱膠貼壁技術(shù)，該導(dǎo)熱膠具有傳熱能力強、富有彈性、流動性好、抗老化性強等特點。

導(dǎo)熱膠在定子鐵心壓緊后灌注，因此可以彌補機座加工偏差和定子的起吊變形，確保導(dǎo)熱膠與機座、鐵心間接觸良好，從而有效地將發(fā)電機定子產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出。

4.3 定子線棒絕緣系統(tǒng)優(yōu)化

抱子石電站1 號機定子線棒采用VPI 絕緣結(jié)構(gòu)。該絕緣結(jié)構(gòu)：一方面具有更低的介質(zhì)損耗增量，更高的擊穿場強，更高的耐電、熱老化壽命；另一方面，與改造前多膠模壓線棒相比，絕緣厚度更薄，能夠進一步提高槽內(nèi)絕緣傳熱性能，有利于將熱量傳遞給鐵心，降低線棒溫度。

4.4 采用小于360°換位技術(shù)

發(fā)電機的定子線棒是由多股線在兩端并聯(lián)組成。定子線棒處在電機槽部和端部十分復(fù)雜的漏磁場中，為了減少并聯(lián)股線的環(huán)流損耗，改善線棒內(nèi)股線溫度的分布[2]，抱子石電站1 號機采用小于360°的換位方式。

圖2 定子線棒股線換位

采用小于360°的換位方式，能有效減少由于端部漏磁而在定子線棒中產(chǎn)生的附加環(huán)流，使股線間溫度均勻，降低線圈股線溫差，從而降低線圈最大溫升，改善絕緣老化，延長線圈壽命，并減小附加損耗。

4.5 提高空氣冷卻器的換熱容量

發(fā)電機的大部分熱量通過通風(fēng)冷卻系統(tǒng)帶走，為了提高發(fā)電機通風(fēng)系統(tǒng)的散熱能力，需要提高空氣冷卻器的換熱容量。

4.6 優(yōu)化定子鐵心壓緊方式

定子鐵心的壓緊采用穿心螺桿+碟簧的固定方式。由于碟簧具有足夠的彈性儲備，發(fā)電機長期運行鐵心發(fā)生收縮時，碟簧的壓縮量將會補償穿心螺桿的伸長量，使定子鐵心仍然能夠維持足夠的壓緊力，以保證定子鐵心長期運行后不松動[3]。

圖3 改造后定子鐵心壓緊結(jié)構(gòu)

在工藝措施方面，為了保證定子鐵心的壓緊質(zhì)量，抱子石1 號機鐵心疊片時采用分段壓緊的方式，并在鐵損試驗后再次壓緊。

此外，抱子石1 號機定子鐵心端部采用粘膠片結(jié)構(gòu)，加強了鐵心端部的整體性[4]。鐵心采用浮動鴿尾定位筋結(jié)構(gòu)，能夠適應(yīng)鐵心熱膨脹，消除了熱膨脹的內(nèi)應(yīng)力，防止鐵心翹曲變形。

5 改造效果

2023 年1 月，抱子石電站1 號機定子及其輔助部件改造完成并順利投入商業(yè)運行。發(fā)電機通風(fēng)溫升試驗結(jié)果如表2 所示。

表2 電站1 號機定子改造前后定轉(zhuǎn)子溫升對比

由發(fā)電機溫升試驗數(shù)據(jù)可知：

（1）電站1 號發(fā)電機在額定容量、額定電壓、額定功率因數(shù)運行至熱穩(wěn)定時，定子線圈最高溫升為52.3 K，較改造前的98.6 K 溫升降低了46.3 K。

（2）電站1 號發(fā)電機在額定容量、額定電壓、額定功率因數(shù)運行至熱穩(wěn)定時，轉(zhuǎn)子線圈平均溫升48 K，較改造前的56 K 降低了8 K。

改造后的發(fā)電機定子溫度顯著降低，解決了定子鐵心松動的問題，達到了改造的預(yù)期目標。該機組的成功改造經(jīng)驗，為后續(xù)同類型水輪發(fā)電機定子改造提供了寶貴借鑒。