三峽左岸電站700MW水輪發(fā)電機定子引進技術(shù)

劉文進

（上海福伊特水電設(shè)備有限公司，上海200240）

三峽左岸電站共有14臺水輪發(fā)電機組。安裝于三峽左岸電站單機容量700MW的8臺混流式水輪發(fā)電機，是由瑞士ALSTOM公司（主承包商，原ABB公司）與哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司（分包商，簡稱HEC）聯(lián)合設(shè)計、合作生產(chǎn)。其中有2臺整機是由HEC制造。三峽左岸電站的另外6臺機組系由福伊特、GE和東方電機廠有限責(zé)任公司聯(lián)合設(shè)計、制造?，F(xiàn)主要介紹從瑞士ALSTOM公司引進的發(fā)電機定子的核心技術(shù)。

1 發(fā)電機基本參數(shù)

發(fā)電機總裝配圖如圖1所示。

額定功率：700MW；

額定電壓：20kV；

額定電流：22 453A；

額定轉(zhuǎn)速：75r／m；

飛逸轉(zhuǎn)速：151r／m；

功率因數(shù)：cosφ＝0.9；

轉(zhuǎn)動慣量GD2：4 414 500kNm2；

定子鐵芯外徑Da：19 720mm；

定子鐵芯內(nèi)徑Di：18 800mm；

定子鐵芯長度Lt：2 950mm。

圖1 發(fā)電機總裝配圖

2 定子機座

定子機座是發(fā)電機的重要組成部分，用來固定機組核心部件定子鐵芯和線圈，并承受電磁、機械以及熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力。ALSTOM公司的8臺機座均由HEC公司制造。機座外壁為20邊形貼壁結(jié)構(gòu)，壁厚15mm，共有20個斜立筋，外徑為φ22 028mm，高度為5 545mm。機座焊成整體后，環(huán)板的內(nèi)緣不上立車加工。在圓周方向分為5瓣運輸，合縫處用臨時小合縫板定位，工地組焊成正圓。由公路運至大連或葫蘆島港口，然后從長江水路經(jīng)上海轉(zhuǎn)運到三峽工地。

（1）定子機座的特點為斜立筋結(jié)構(gòu)，如圖2所示。由20個斜立筋周向均布、徑向逆時針偏40°組成，其偏轉(zhuǎn)角度據(jù)有限元計算得出。定子機座的剛、強度用ALSTOM公司的專用程序HT 563計算得到。這種斜立筋的優(yōu)點是能發(fā)揮斜立筋的彈簧效應(yīng)，可減少熱應(yīng)力；能有效防止定子疊片翹曲，以及對基礎(chǔ)的破壞；該結(jié)構(gòu)具有足夠的彈性，允許機座自由熱膨脹，可保證圓環(huán)的穩(wěn)定性和同心度；它還有特定的切向剛度，適應(yīng)靜態(tài)和動態(tài)扭矩作用時的不同工況。

圖2 定子機座

當(dāng)定子機座熱膨脹時，斜立筋會朝機械阻力最小的方向偏轉(zhuǎn)，帶動斜立筋連接的環(huán)板同時偏轉(zhuǎn)，從而保證同心。在電磁扭矩或突然短路作用下，斜立筋會朝機械阻力最大的方向變形，具有一定剛度，從而具有很高的穩(wěn)定性。在國產(chǎn)傳統(tǒng)設(shè)計中，一般采用徑向鍵，即機座與基礎(chǔ)板可徑向滑動來防止因熱膨脹而造成的定子鐵芯翹曲［1］；但可滑動基礎(chǔ)板不能防止機座彎曲，而且當(dāng)各基礎(chǔ)板所產(chǎn)生的摩擦力不盡相同時，會使機座在冷、熱交變的應(yīng)力作用下發(fā)生橢圓變形，使定子鐵芯不能保證同心；即使經(jīng)常檢查，個別滑動基礎(chǔ)板也會出現(xiàn)摩擦卡住的現(xiàn)象。斜立筋則降低了這種運行維護的風(fēng)險，也減少了基礎(chǔ)板應(yīng)力。

定子機座采用斜立筋結(jié)構(gòu)，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計還可容易改變定子的自然頻率，躲開危險的共振頻率范圍。機座的自然頻率根據(jù)有限元計算得到，熱態(tài)時，定子鐵芯與機座耦合作用也應(yīng)同時考慮。

（2）機座的斜立筋由彈性板和上、下端板組成，材料為S 355J2G3鋼板，總高度為5 545±3mm。彈性板厚60mm，上端板厚60mm，通過螺栓穿過連接環(huán)與上機架連接。下端板厚90mm，通過螺栓、銷子與定子基礎(chǔ)板相連接。斜立筋焊后退火后，單件只加工上、下端面。定子機座斜立筋下板通過2個軸向定位銷防止竄動，并用8個螺桿與定子基礎(chǔ)板相連。ALSTOM公司斜立筋結(jié)構(gòu)應(yīng)用經(jīng)驗統(tǒng)計表如表1所示。

機座具有7層環(huán)板。上環(huán)板厚度20mm，下環(huán)板厚度50mm，中間環(huán)板厚度均為15mm。環(huán)板的材料為S 235JRG 2，環(huán)板外圓為20邊形，內(nèi)徑為φ19 800mm。由于定子鐵芯采用穿芯螺桿，無齒壓板上的頂絲作用在上環(huán)板上，且穿芯螺桿的壓力全部作用在定子鐵芯上，所以上環(huán)板比以往國產(chǎn)相近容量的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)薄30%以上。下環(huán)板內(nèi)徑為φ19 194±6mm，上面布置270個φ30mm的穿心螺桿孔，在工地待機座焊成整圓后以沖片為樣板用磁力鉆攻鉆。由于下環(huán)板承受定子鐵芯及定子線圈的質(zhì)量，會向下彎曲，所以采用環(huán)筋和立筋加強剛度。下環(huán)板平面度要求徑向2mm、切向3mm／m、總值10mm。整個環(huán)板內(nèi)緣的同心度要求為4mm，內(nèi)緣采用精密氣割工藝保證圓度。

表1 斜立筋結(jié)構(gòu)應(yīng)用經(jīng)驗統(tǒng)計表

ALSTOM公司設(shè)計的定子機座不論機組容量大小均為此結(jié)構(gòu)，按他們的設(shè)計經(jīng)驗，大機組機座環(huán)板之間的距離約為500mm，環(huán)板的徑向?qū)挾燃s為600mm，2個斜立筋之間的弦長約為3 500mm，如表2所示。

表2 機座環(huán)板之間的設(shè)計距離統(tǒng)計表 ／mm

機座各環(huán)板之間還裝有小立筋，板厚度為15mm。機座用小合縫板在制造廠內(nèi)預(yù)裝成整圓，打上相應(yīng)標記后拆開，到工地組焊成整體。定子機座在主、中引線處的立筋、壁等均采用15mm的非磁性鋼板X 6CRNIT 118－10，可有效防止磁場在金屬構(gòu)件中引發(fā)的渦流損耗和發(fā)熱。

在定子機座裝焊過程中，由于上、下環(huán)板弦長達12 343mm，厚為15mm，含4個斜立筋槽，撓度非常大。制造時，如按ALSTOM公司工藝往斜立筋上插環(huán)板，由于尺寸大，實際操作非常困難，所以環(huán)板改為4塊下料，即每個斜立筋之間為1塊環(huán)板。在機座組裝和焊接過程中，隨時檢查機座的圓度和水平，對稱焊接，方向交變進行，焊后機座直徑收縮4～5mm。首臺定子機座國產(chǎn)化制造過程中遇到的問題較多（見圖3），總制造周期約1年，后幾臺機座經(jīng)總結(jié)經(jīng)驗后，則3、4個月完成一臺，成品機座如圖4所示。

3 定子鐵芯

定子鐵芯高度為2 950＋100mm，內(nèi)徑為φ18 800±1.5mm，外徑為φ19 720mm，沿軸向共分布46個徑向通風(fēng)溝，通風(fēng)溝高度為6mm，每段鐵芯高55.15mm。整個定子鐵芯疊片后不采用熱壓工藝，但在90min的鐵損試驗后，要求再次把緊定子鐵芯拉緊螺栓。定子鐵芯裝配完成后，總質(zhì)量為508t。

（1）定子沖片是日本進口的V250－50硅鋼片，厚0.5mm。每張沖片9個槽和9個穿心螺桿孔。沖片弦距為1 032.07mm，每張沖片有3個鴿尾槽。沖片外圓是直徑為φ19 720mm的180邊內(nèi)接多邊形。沖片槽形尺寸槽寬為38.6mm，槽高為182.2mm。沖片沖后去毛刺，要求毛刺不大于3μm，雙面涂漆；漆膜厚度為單面8～15μm，在5MPa下電阻大于300MΩ［2］。首臺機座定子沖片制造周期約為2m。

圖3 機座設(shè)計制造石川分析圖

圖4 定子機座

（2）定子鐵芯采用穿心拉緊螺桿壓緊系統(tǒng)，如圖5所示。每500mm高度壓緊一次。拉緊螺桿為M20，長度為3 320mm，直線度要求0.3mm／m，材料為進口的42CrMo4。拉緊螺桿不包絕緣，在拉緊螺桿上、下兩端至第一個通風(fēng)溝處套絕緣管，然后通風(fēng)溝處裝設(shè)絕緣套筒，對鐵芯的絕緣數(shù)值不小于15MΩ。拉緊螺桿上端用一個碟形彈簧，碟形彈簧外徑φ180mm，內(nèi)徑φ92mm，自由高度14mm，碟形彈簧75%行程（3mm）時，彈力為125kN。每個拉緊螺桿的預(yù)拉應(yīng)力為125kN，螺桿的伸長量為6.2mm（工地抽查10%）。定子鐵芯共用270個拉緊螺桿，定子鐵芯的壓應(yīng)力為150N／cm，此時碟形彈簧的壓縮量為3mm。

圖5 鐵芯穿心拉緊螺桿壓緊系統(tǒng)

（3）定子鐵芯通過托塊和雙鴿尾筋固定在機座上，鴿尾筋長3 130mm，直線度要求0.1mm／m，共用180個鴿尾筋。鴿尾筋的調(diào)整是通過角鋼和調(diào)整板實現(xiàn)的，在鴿尾筋的上、下兩端，即機座的最上層中環(huán)板和最下層中環(huán)板的位置各裝一個角鋼和調(diào)整板，調(diào)整板有一個加工成以R為半徑9 885.12mm的邊，雙鴿尾筋靠在調(diào)整板，然后用螺栓將鴿尾筋把合在角鋼上，待托塊焊后，拆除角鋼，垂直度為0.02mm／m，相鄰各筋半徑差不大于0.15mm。疊片時，要求沖片與鴿尾筋必須靠緊，若沖片與鴿尾筋之間有間隙，否則在運行時期，彈簧板因接觸不良，發(fā)揮不了傳遞和吸收應(yīng)力的作用。

（4）定子鐵芯上、下齒壓板均采用非磁性雙壓指結(jié)構(gòu)，即一齒兩壓指的特殊結(jié)構(gòu)。上、下齒壓板平面度要求0.5mm，下齒壓板留10mm工地配加工余量；到工地根據(jù)機座下環(huán)板的實際情況配加工，然后焊在機座下環(huán)板上。

（5）定子沖片錯1／3疊片，鐵芯兩端的沖片在齒部有2mm的溝槽，槽內(nèi)插入1.8mm的絕緣墊片，用LJ－K 3粘牢，防止端部磁場產(chǎn)生的渦流損耗，特別是對減少振動和瓢曲十分有利。鐵芯上、下兩端各疊成6個4×5mm的臺階，用環(huán)氧樹脂（Epoxide Resin，EP）EP－03將鐵芯上、下兩端粘成整體，且不允許加補償片。中間段采用絕緣補償片，在疊片時必須與普通沖片粘接在一起，波浪度用整張沖片調(diào)整。

定子鐵芯疊片后，槽形尺寸為：槽寬38.3mm，槽高182.0mm（電磁計算單上的尺寸）。做鐵損試驗1.3～1.5T，90min［3］，然后再將鐵芯拉緊螺栓把緊一次，以此代替國產(chǎn)傳統(tǒng)的冷疊熱壓工藝。

（6）定子鐵芯沿圓周布置18個電阻溫度計，在上、下齒壓板上各布置9個電阻溫度計；另外，在定子鐵芯圓周上還安裝8個監(jiān)測氣隙的傳感器。

4 定子線圈

（1）定子線圈為水冷結(jié)構(gòu)，實心導(dǎo)線是玻璃絲漆包線，線規(guī)是祼線2.12×13.5mm，外包玻璃絲漆線2.33×13.71mm，導(dǎo)線的溫度指數(shù)為200℃，單面絕緣厚度為0.105mm?？招膶?dǎo)線是不銹鋼材料X 2 CRNI 19－11，線規(guī)是外型4×13.3mm，內(nèi)孔2×11.3mm。定子線棒360°羅貝爾換位，換位長度為3 054mm，實心導(dǎo)線的換位節(jié)距為52mm，空心導(dǎo)線的換位節(jié)距為145mm。

定子有540個槽、5并聯(lián)支路、每極每相槽數(shù)q＝、繞組系數(shù)為0.953 8、槽節(jié)距1－8－14、每臺共計1 080根線棒。主絕緣單邊絕緣厚度為4.6mm［4］，工作強度為2.51kV／mm，擊穿強度為32.9kV／mm，防暈層單面厚度為0.15mm［5］。

（2）線棒在槽內(nèi)的絕緣結(jié)構(gòu)是：在線棒的高度方向的上、下面墊一層半導(dǎo)體玻璃布板0.5×27.5mm LEIT 3，用導(dǎo)電膠粘在線棒上，使導(dǎo)體內(nèi)的電場均勻，槽內(nèi)的防暈結(jié)構(gòu)至出鐵芯130mm處結(jié)束。線棒只在空心導(dǎo)線和兩個相鄰實心導(dǎo)線處墊換位絕緣。端部的主絕緣單面厚度為4.6mm，端部的防暈結(jié)構(gòu)從出鐵芯130mm處開始，在距線棒彎部205mm處結(jié)束，端部防暈層單面厚度為1.61～1.76mm，然后在整個端部包一層高阻防暈帶。下線時用半導(dǎo)體帶子對折后注入硅膠（2h后固化），然后以螺旋式纏繞在線棒上下入槽內(nèi)。

定子線棒共10種規(guī)格，分別為R1～R10。上層線棒以圓柱形展開，端部沒有升高值，下層線棒以圓錐形展開，上、下層線棒引線頭間距離為64mm。線棒成型是在進口成型機上完成的，圖紙上給出了彎柱中心線。線棒絕緣前從直線部分向斜邊過渡處的彎曲半徑為60mm，半徑較小增加了制造難度，其工藝過程見圖6所示。

圖6 線棒端部彎型制造過程

定子線棒股線匝間耐壓試驗電壓U＝110V，對定子線棒做80kV的交流耐壓試驗，時間為1min。單根線棒的工頻交流起暈電壓不小于1.5倍額定電壓，定子線棒瞬時工頻擊穿電壓不小于6.5倍額定電壓。圖7為成品線棒做電老化壽命試驗。線棒的各項試驗都由主承包商及用戶代表目擊見證。

圖7 成品線棒老化壽命試驗

每個線棒端部都焊有連接板裝配，它與水盒相連，從而實現(xiàn)水路和電路的連接。連接板包括一個L型銅板，2個NI 300塊和一個不銹鋼板。NI 300塊起支撐作用，該材料與銅、不銹鋼都有良好的焊接性能；焊接均采用氬弧焊。水盒的焊縫做1.8MPa的水壓試驗。

每個空心導(dǎo)線必須用φ1.0mm的不銹鋼絲探測，在制造過程中該探測試驗做2次，第1次在直線膠化后，第2次在端部成型膠化后。線棒成型后在焊水盒前做水流量測試，水壓為0.1MPa，最小流量為3～0.3l／min。線棒在焊水盒后，首先要做滲漏試驗，水壓為1.5MPa，時間20min，然后做風(fēng)流量測試，此測試為一個比較測試，風(fēng)壓為0.004MPa，空氣流速不得低于5.96m／s。

（3）定子繞組共180支水路，每3個線圈串連為1路。每個線圈的水盒通過聚四氟乙烯管與純水管連接。純水管采用不銹鋼材料，有2個環(huán)管：一個是進水管，分布直徑φ19 200mm；另一個是出水管，分布直徑φ19 940mm。純水管的直徑為φ168.3mm，壁厚為3.2mm。機組在最大容量時（840MVA），定子繞組的純水流量為2 500l／min，水在空心導(dǎo)線內(nèi)的流速為2m／s，進入空心導(dǎo)線純水的溫度為38℃，出水溫度為60℃。定子線圈水冷卻系統(tǒng)采用上述聚四氟乙烯水管，從根本上解決了以往傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用銅管做連接水管時，因其剛性大、連接位置有偏差、不易調(diào)整的難題（見圖8）。

圖8 定子線圈水冷卻系統(tǒng)

5 定子嵌線

定子嵌線時，定子線棒直線段包0.1×100PETP VLIES LE 3半導(dǎo)體無紡帶，3M電氣自粘帶和半導(dǎo)體硅橡膠SI 52，厚度為0.44mm，即繞線包扎（Round Packing），其兩端比鐵芯長度長15mm，線棒軸線方向高度偏差不大于4mm，切向不大于1.5mm，保證斜邊間隙為14mm。

槽底沒有墊條。層間墊條厚度為10mm，材料是HGW 37，涂LL 17低阻半導(dǎo)體漆，在層間墊條處裝180個電阻溫度計。槽楔下墊0.1～1.5mm不同厚度墊條，材料是HGW 37.5。槽楔包括主槽楔和副槽楔，主槽楔的材料是HGW 37.1，副槽楔的材料是HM 34。在工地打緊副槽楔，與以往不同之處是在主槽楔和副槽楔之間墊波紋板。可通過帶孔的槽楔來檢測波紋板壓縮緊量是否符合設(shè)計要求。

線棒在出槽口處用φ5mm玻璃絲繩浸復(fù)合樹脂EP 139綁扎。線棒上端每隔9個槽設(shè)1個槽口墊塊，防止線圈下沉。槽口墊塊的材料是HM 34，涂LL 16高阻半導(dǎo)體漆，槽口墊塊兩側(cè)墊聚酯氈PETP MAT 1，用φ5mm玻璃絲繩浸復(fù)合樹脂EP 118綁扎，然后涂LL 16高阻半導(dǎo)體漆。

線棒上、下兩端各有一道端箍，端箍無支架支撐。國產(chǎn)機組大都采用非磁性金屬材料做端箍，非磁性金屬材料雖然避免了端部磁場在端箍中產(chǎn)生的渦流損耗，但金屬材料端箍受熱膨脹變形較大、較快，與絕緣材料不同步，容易破壞線圈端部絕緣。采用絕緣材料端箍，即用φ50mm玻璃絲繩注入復(fù)合樹脂EP 310，然后涂LL 16高阻半導(dǎo)體漆，這樣就從根本上避免了大尺寸機組熱膨脹帶來的危害。線棒上、下兩端各有兩道斜邊墊塊，斜邊墊塊的材料是HGW 37，涂LL 16高阻半導(dǎo)體漆。斜邊墊塊包一層聚酯氈PETP MAT 1，浸復(fù)合樹脂EP 213，中間刷復(fù)合樹脂EP 139，然后用玻璃絲編織帶GL 7和EP 139包扎，最后涂LL 16高阻半導(dǎo)體漆。固化24h后，對表面用砂紙打磨到光滑為止。

絕緣盒用HGW 38繞制而成，在絕緣盒與線棒絕緣接觸處涂LL 16高阻半導(dǎo)體漆，在絕緣盒與水盒接觸處涂LL 17低阻半導(dǎo)體漆。安裝時，絕緣盒內(nèi)不注環(huán)氧樹脂，而是再一次在絕緣盒與水盒接觸處涂LL 17低阻半導(dǎo)體漆，并保證絕緣盒與水盒電氣接觸。然后用φ9、11、25mm玻璃絲繩浸復(fù)合樹脂EP 118塞緊。該絕緣盒結(jié)構(gòu)為通透結(jié)構(gòu)，不但有利于拆卸水接頭，而且對線棒端部冷卻散熱非常有利。正是具有這個優(yōu)點，國外設(shè)計的空冷機組也在推廣采用這種新型結(jié)構(gòu)的絕緣盒（見圖9）。

圖9 空冷機組空芯絕緣盒

6 銅環(huán)引線

銅環(huán)引線分9層布置，分布直徑為φ20 180mm，銅環(huán)引線采用水冷，銅管的外徑為φ45mm，內(nèi)徑為φ15mm，銅環(huán)的電流密度是3.176A／mm2，銅環(huán)的單邊絕緣厚度為4.6mm。銅環(huán)與銅環(huán)之間的連接是用一個外徑為φ20mm，內(nèi)徑為φ15mm的銅管連接的。工地焊接時，在管之間墊0.2～0.3mm厚的銀焊片（L－AG 15P），再用φ2mm銀焊絲補強，采用中頻焊接，焊接溫度為710～730℃，焊前仔細清理，焊后不探傷。銅環(huán)引線的水路連接是用一個45×45mm的方銅連接的，方銅上面真空釬焊一個不銹鋼水接頭，焊料是鎳鉻焊料。完成線棒與匯水環(huán)管的連接后，對匯水管以內(nèi)系統(tǒng)用干燥空氣或氮氣充氣，24h后壓力降至0.2%以內(nèi)為合格；否則將充50%氦與空氣混合氣來檢查漏點。

7 啟動驗收

三峽左岸電站首臺機組5＃機于2003年7月18日完成了啟動驗收，并移交電廠管理。機組在啟動試運行中完成了合同規(guī)定的試驗項目和72h帶負荷連續(xù)運行，運行狀況良好，尤其定子方面采用的斜立筋先進技術(shù)，對減少熱膨脹對機組的危害和減少機組振動，效果特別明顯，用戶對此高度贊賞。

8 結(jié) 語

瑞士ALSTOM公司為三峽左岸電站設(shè)計的700MW水輪發(fā)電機定子裝配具有一定的技術(shù)特色，代表了當(dāng)代巨型水電機組的先進技術(shù)水平。

尤其是定子機座采用斜立筋結(jié)構(gòu)，與國產(chǎn)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，不但其質(zhì)量減輕了35%以上，而且從根本上消除了大尺寸部件因熱膨脹影響機組運行安全的隱患；雙鴿尾筋與托塊之間不需要焊接，減少了工地安裝工期；雙指結(jié)構(gòu)的定子齒壓板及帶碟型彈簧的穿芯螺栓鐵芯壓緊系統(tǒng)，不但解決了超長定子鐵芯的裝壓工藝問題，而且省去了煩瑣的熱壓工藝提高了抗失穩(wěn)能力；薄壁不銹鋼定子空芯線與傳統(tǒng)設(shè)計銅材料相比，提高了熱傳導(dǎo)性能和耐腐蝕強度；不注膠的空芯絕緣盒對提高線圈端部風(fēng)冷效果非常有利；特殊的定子絕緣結(jié)構(gòu)不但延長了機組使用壽命，還提高了機組運行的可靠性指標等［6］。這些先進的設(shè)計理念值得深入研究、分析、消化和總結(jié)，引進的技術(shù)和經(jīng)驗對我國自主研發(fā)白鶴灘水電站1 000MW特大型水輪發(fā)電機具有實用價值。

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