南津渡水電站發電機定子線棒國產化改造

陳敬明 胡立新 李效革

（湖南省南津渡水電站 永州市 425000）

1 概 述

1.1 電站概況

南津渡水電站座落在湖南省永州市零陵區，系瀟水流域梯級開發未端電站，是一座截彎取直引水發電的燈泡貫流式電站，電站裝機3臺，單機容量為20 MW，總裝機容量60 MW，設計水頭：14.5 m，水輪發電機組系引進奧地利VOITH公司、ELIN公司設備，年設計發電量2.93億萬kW·h，設計年利用小時數為4 891 h。

1.2 更換改造原因及項目內容

南津渡水電站于1991年并網投入運行，1999年7月1#發電機首次出現定子線棒主絕緣燒損故障以后，3臺發電機線棒在5年內連續出現6次定子線棒絕緣燒損、開焊等故障，鑒于發電機定子線棒存在嚴重電暈、電腐蝕，定子線棒整體絕緣狀況下降。電站決定將機組定子線棒國產化更換。國產化改造工程主要內容是：3臺發電機組定子線棒 （單臺288槽，576根線棒及跳線、匯流排，測溫探頭、絕緣盒等）的設計、制造、更換（包括舊線棒的拆除）、試驗工作，定子鐵芯的檢查、試驗、處理工作。國產化任務由天津重型水電設備公司承擔。

1.3 發電機定子線棒絕緣電腐蝕、電擊穿的主要原因分析

1.3.1 槽內絕緣結構設計存在缺陷

根據ELIN圖紙和產品實物，表明定子線棒在槽內的固定靠填充和注入硅橡膠形成的支點支撐，在線棒表面與槽壁之間存在著大量的空氣間隙。線棒表面與定子鐵心槽壁之間的間隙中空氣在電場的作用下就會電離而產生電暈，電暈必然對定子主絕緣產生電暈腐蝕，主絕緣又是由云母粉、膠和玻璃絲補強材料構成，雖然片云母具有較高的抗電暈性能，而云母粉由膠粘合在一起，但膠并不耐電暈的腐蝕。故主絕緣長期在電暈腐蝕的作用下必然導致擊穿。槽內拆卸出來的線棒證明，其表面被電暈腐蝕得十分嚴重：主絕緣被腐蝕成白粉狀物，而散落在端部線棒表面。

1.3.2 定子線棒槽內部分的防暈結構起不到防電暈作用

定子線棒在槽內部分被電暈腐蝕，其根本原因與防暈結構有關，原有線棒發生嚴重的電暈腐蝕說明了原設計的防暈結構不成功。從線棒實物看其槽部表面只涂了一層防電暈漆，不管其內部有沒有內屏蔽，這種防暈的作用是失敗的。因為它沒有起到防暈的作用。

這薄薄的一層防電暈漆極易被損壞和脫落，一旦線棒表面防暈漆有一處脫落，此處即發生電暈，且電暈隨時間的增長越來越嚴重，隨著電暈的發生、發展和升級，隨之而來的是線棒被電暈腐蝕，且越來越嚴重。從被擊穿的線棒表面上看，其防暈漆已蕩然無存，主絕緣云母帶裸露在線棒的外表面。

1.3.3 風路設計不合理

ELIN公司在該機上采用空氣軸向強迫通風密閉循環的冷卻方式，冷卻介質為二次冷卻方式。這種冷卻方式是可行的。但是，軸向通風與徑像通風比較，徑向通風電機的各部分溫升都比較均勻，而軸向通風的電機在軸向長度上存在著較大的溫差。

ELIN在設計該風路時存在嚴重缺陷：

（1）在電機的上下游繞組端部無風穿過。

附圖為南津渡水電站風路示意圖，從圖上可以明顯看出上下游端部線棒無風穿過，電機內的冷風分為兩路：一路風在磁極與磁極之間通過；另一路風從定子表面與轉子磁極表面主氣隙中通過，線棒端部得不到很好的冷卻，特別是線棒熱端其溫度必然很高。

附圖 南津渡奧機通風示意圖

（2）定子鐵心齒部無通風孔。

根據我國幾十年的設計和實踐表明，采用軸向通風定子鐵壁定子鐵心齒必須開通風孔，這樣定子的整個溫升才能控制在設計計算值內。

總之，由于風路設計的缺陷致使定子溫升升高、定子鐵心、定子線棒的直線部分上、下游的溫差加大，特別是上游側定子線棒端部溫度最高，所以線棒擊穿，接頭開焊的事故、線棒表面電暈腐蝕嚴重現象均集中發生在上游側是可以理解的，也是必然的。

2 改造技術方案設計

2.1 發電機定子改造線棒的設計

改造線棒的設計必須針對解決上述電暈腐蝕問題而設計。

2.1.1 線棒防暈結構的選擇

為了防止電暈腐蝕線棒現象的再度發生，必須在改造線棒上采取成熟可靠的防電暈結構。改造線棒采用兩段防電暈結構：直線部分包低電阻防電暈玻璃絲帶，端部包高電阻防電暈玻璃絲帶，在制造工藝上采用防暈層與主絕緣一次模壓成型。這一結構型式早已應用在13.8 kV電壓等級的水輪發電機上，如遼寧省長甸水電站SF75-40/8540，額定容量7.5 MW；湖南省東江水電站SF125-36/8900，額定容量12.5 MW；貴州省東風水電站SF170-32/8950，額定容量170 MW的水輪發電機上，最長運行時間已有30年，均未發生過電暈腐蝕問題。

2.1.2 控制線棒的起暈電壓

線棒防暈結構成功與否和水平高低，由單個線棒在制造廠內進行耐壓試驗時的起暈電壓值的大小來衡量。

2.1.3 槽內側壁下線間隙的處理

線棒的成型是用模壓的方式，所以線棒的尺寸必然有公差，為了消除線棒和槽壁之間的間隙，在線棒下線時，根據線棒尺寸的大小，在線棒上包繞不同層數的低電阻半導體柔軟玻璃布帶，而線棒在槽內高度方向的間隙靠槽底、層間和楔下的半固化滌綸氈適形材料墊條來填充，使槽內無空氣間隙存在。

2.1.4 定子鐵芯槽內噴低電阻半導體漆

為了使線棒表面與定子鐵芯槽壁等電位，天重公司在槽內噴與線棒直線部分表面等電阻值的半導體漆。

2.1.5 線棒主絕緣厚度的設計

根據現有定子鐵芯槽形尺寸，為了保持電機定子線棒原有的溫升水平不變，又要實施線棒在槽內部分的防電暈措施，線棒的主絕緣的厚度，只有取2.7 mm。為了使線棒有高的電氣強度和良好的機械性能，天重公司選用了特種云母帶9545-1H（特）—高耐電壓強度桐馬環氧粉云母帶，比天重公司一般產品使用的5440-1桐馬環氧粉云母帶性能要優越得多。天重公司用9545-1H（特）—高耐電壓強度桐馬環氧粉云母帶制成的線棒，實測的試驗數據表明線棒的主要指標均達到了大型水輪發電機產品質量分等標準DS/ZJ011-2002規定的優等品，具體數值見表1。

表1 試驗數據表

2.1.6 在槽內和線棒端部固定上廣泛使用滌綸氈適形材料

2.1.7 線棒股線的選擇與發熱參數

（1）股線的選擇。

因定子鐵芯槽形尺寸已定，槽內要留有線棒直線部分的防暈結構的尺寸，還要留有層間墊條適形材料的尺寸，同時還要保證主絕緣厚度的尺寸，以及線棒制造公差、疊片公差數值，最后給股線留下的空間就有限了。由于定子銅線溫度較高，故股線截面銅線尺寸只能保持原有尺寸而不變，最終股線絕緣的單邊厚度只能由0.25 mm改成0.20 mm，所以不能采用一般線棒采用的雙玻璃絲包扁線，而用特種絕緣股線—雙滌綸玻璃絲包燒結銅扁線，其股線性能見表2。

表2 股線性能

（2）發熱參數（表 3）。

表3 發熱參數

由于股線中的銅線總面積保持不變，電流密度不變，而電機的線負荷：

式中IN——發電機的額定電流；

Sn——定子繞組每槽有效導體數，Sn=2；

t1——定子沖片齒距（mm），t1=46.905 8 mm；

Di——定子沖片內徑 （mm），Di=4300 4300 mm；

Z——定子沖片槽數，Z=288；

2.1.8 線棒的防暈結構和槽內防暈措施的最終效果，槽電位優于國標

槽電位是衡量線棒的防暈結構和槽內防暈措施最終效果的重要指標，它預示著該機在運行后電暈的狀況和程度。天重公司生產的產品在線棒嵌線后均可達到表4所列數值，此值優于國標要求。

表4 嵌線后槽電位

2.2 更換定子線棒的主要技術性能說明

（1）發電機定子線圈的接線圖、線棒外形尺寸按照ELIN公司技術圖進行改造。定子繞組為條式雙層波繞組，星形連接。

（2）發電機線棒載流截面尺寸單根為2.5×5.0×26 mm2，同時所有上（或下）層線棒形狀及幾何與原線棒基本尺寸相同。

（3）定子線棒主絕緣為F級，按照天重公司的絕緣體系進行即線棒對地主絕緣方式采用環氧云母帶連續絕緣多膠模壓體系，外包防暈帶，與主絕緣一次模壓整體成型。

（4）為減少發電機槽部漏磁引起股線環流增加的附加損耗，所有定子線棒均在有效定子鐵芯疊片的全長采用360°換位方式。

（5）所有線棒之間的端部連接（包括跳線）均采用銀銅硬焊連接方式。各焊接接頭焊料充實，表面光滑，無棱角、氣孔及空洞現象出現，各焊接接頭的直流電阻測量值保證在國標允許范圍內。發電機定子繞組三相直流電阻不平衡差值≤2%。

（6）線棒端部絕緣盒的絕緣處理采用國產絕緣盒專用灌注膠，以方便日后維護工作。

（7）發電機定子線棒結構強度，能在額定負荷以及端電壓等于105%額定電壓下，承受定子出口對稱或不對稱突然短路，歷時3 s而不產生有害變形。

2.3 定子線棒改造后達到的標準

（1）定子繞組絕緣的交流50 Hz耐壓標準按GB 7894-2001《水輪發電機基本技術要求》規定；定子組裝在現場安裝完成后，應能承受表2所規定的50 Hz交流 （波形為實際正弦波）絕緣介電強度試驗，歷時1 min不被擊穿。

（2）在進行交流耐壓前對定子繞組進行3倍額定電壓的直流耐壓和泄漏電流測定。

（3）定子繞組單個線棒在1.5倍額定線電壓下不起暈。

（4）定子繞組在1.3倍額定相電壓下進行整體電暈試驗時，無持續可見電暈。

3 定子線棒改造后的效果

根據南津渡水電站1#、2#、3#發電機組定子線棒改造前后的各項試驗數據及運行情況，機組國產化改造后其實際的出力、運行溫度、振動各項運行指標滿足合同技術要求。根據當前國外備品線棒報價及國產化改造工程造價的比較情況，電站3臺機全部改造完畢，可直接為企業節約資金近1.3億元。這一成果不僅為引進燈泡貫流式發電機組定子繞組的國產化改造打下良好基礎，也為其它國外F級絕緣發電機組出現電暈、電腐蝕問題提供有效的解決方法。由于線棒載流截面沒有改變，發電機線槽運行溫度仍存在偏高的問題，為降低發電機定子線棒及鐵芯的運行溫度，延長發電機使用壽命，下一步電站將著手機組冷卻系統的改造，從而改善發電機的運行環境，確保機組安全穩定運行。