下硐水電站1#發電機的定子改造

邢 建 模

(國家電投集團重慶獅子灘發電有限公司,重慶 長壽 401220)

1 概 述

下硐水電站1#發電機組為哈爾濱電機廠于1957年生產的產品，發電機型號為：TS-550/79-28，機組容量為15 MW，其定子繞組絕緣結構為瀝青云母絕緣。1994年，定子繞組更換為B級環氧云母黃絕緣。2002年2月，在機組同軸加裝了一臺1 500 kW副發電機，至此，該機組增容至16.5 MW。因主發電機經多年運行其鐵芯發熱嚴重、運行溫度持續上升，給安全穩定運行帶來嚴重威脅，必須對其進行技術改造。

原發電機定子的基本參數:

定子鐵芯外徑 /mm 5 500

定子鐵芯內徑 /mm 4 930

定子鐵芯長度 /mm 790

定子通風溝高度 /mm 10

定子通風溝數量 13

定子槽數 264

定子繞組相數 3

定子繞組并聯支路數 2

定子繞組型式 圈式疊繞組

每槽導體數 6

絕緣等級 B級

定轉子間氣隙 /mm 14

2 定子改造整體方案的制定

(1)定子沖片：槽形不變，仍為24.4 × 128，沖片材料選用單位損耗較小的50W270優質硅鋼片。

(2)定子鐵芯。

①將原來的磁性端箍改換成材質為1Cr18Ni9Ti的非磁性端箍；

②將原來的磁性齒壓板壓指更改為非磁性扁鋼40Mn18Cr4V。

①②兩項的改進目的是減小端部漏磁損耗。

③為防止鐵芯裝壓后其上、下端部產生齒漲，對鐵芯上、下端部采用了端部粘接工藝(6 mm/段，共3段的階梯結構)。

④原機組定子通風溝高度為10 mm，通風溝個數為13。經綜合考慮，為保證定子鐵芯通風冷卻效果，又確保定子鐵芯擁有足夠的有效長度，確保定子較低的溫升，將本次改造方案中的設計通風溝高度定為8 mm，通風溝個數定為23。

(3)定子繞組。

①將線圈絕緣由原 B級絕緣更改為F級絕緣；

②為了減小股線環流引起的定子繞組溫升，下線時在各相繞組支路的1/2Y處進行了“R-T”連接換位接線；

③線圈在槽內的徑向固定由原來的槽楔固定改為槽楔加楔下波紋板的固定結構。該結構依靠彈性波紋板強有力的彈性使定子線圈在冷、熱狀態下均承受一定的壓力，既能補償線圈絕緣老化的收縮，又使線圈、槽楔長期運行時牢固不松動；

④為了防止線圈因受電磁振動而磨損絕緣，在線圈出槽口處設置了槽口墊塊，槽口墊塊安裝時浸膠適形氈并與上層或下層一起綁扎，絕緣固化后，槽口墊塊與線圈形成一個牢固的整體。

3 機組原鐵芯拆除后的狀況及存在的問題

(1)因該機組為1957年的產品，機座分三辨，上、下端齒壓板為小齒壓板結構。定子在出廠前疊片、下線、運至電站現場組圓，因受當時機械加工能力所限，機座內圓并未機加工，僅靠掛鴿尾筋通過手工測繪的方式找正內圓。作為鐵芯疊片的基準,因沒有加工基準面從而給找機座中心帶來極大的困難。

(2)定子鐵芯拆除前定子圓度的測量。

按GB 8564-2003《水輪發電機組安裝技術規范》(以下簡稱GB 8564-2003規范)規定：“定子圓度測量，各半徑與設計半徑之差不應大于設計空氣間隙值的±5%……”，本機組的允許偏差為14×±5%=±0.7(mm)。

據此計算，上段半徑最大值為15.54 mm ,最小值為14.14 mm。其1、2、8、24、12、13、14、15、17、18測點超標。中段半徑最大值為14.86 mm，最小值為13.46mm， 1、9、10、13、14、15、16、17測點超標。下段半徑最大值為14.9 mm，最小值為13.5 mm， 14、15、16測點超標。

(3)舊鐵芯拆除后，對定位筋上、中、下段分別進行圓度測量，平均半徑相對值上段為8.53 mm、中段為8 mm、下段為7.89 mm。測量結果表明：定位筋半徑布圓上、下端圓度存在較大的錐度。

(4)定位筋情況。

48根定位筋其弦距、垂直度、直線度差別較大、嚴重超標，多處弦距差別大于1.28 mm。為避免相鄰沖片邊緣搭疊，有意將沖片接縫處的間隙放大，設計成0.8 mm(現在的設計值一般選0.2～0.25 mm)。其中一根定位筋下端出現斷裂翹起的情況。有15根定位筋下端面未超出下環板下平面，最大值為3 mm。

(5)原機組所有上齒壓板壓指的下平面均堆焊有10 mm高的增高層。

(6)原沖片質量差，其上下表面絕緣層脫落較嚴重。

(7)定子鐵芯沿圓周方向高度不等，最小值為780 mm，最大值為785 mm，均未達到設計值790 mm。

4 原機組存在的問題及影響機組運行的原因分析

(1)定子鐵芯圓度嚴重超差。

從定子鐵芯圓度測量值看，因原機組定位筋裝配質量較差，定位筋半徑分布圓上、下端圓度存在較大的錐度，且弦距、垂直度、直線度嚴重超標，導致定子鐵芯圓度超差且其平均半徑均小于設計值，從而使定子氣隙值變小。由于電機短路比Kc與氣隙值δ成正比，故電機的氣隙值變小使得短路比有所下降，將影響到發電機的過載能力和電壓變化率，同時亦影響到電力系統的靜態穩定性。上、中、下段鐵芯各半徑不均勻而造成氣隙不均勻、磁路不對稱，故所產生的磁拉力亦不平衡，將導致發電機組運行時擺度及振動增大，機組輸出電壓波形變差，諧波成份亦增大。

(2)鐵芯松動問題。

原機組在長達數十年的運行過程中，鐵芯受熱膨脹及附加壓力等多種因素的作用，使鐵芯沖片漆膜變薄，加之沖片漆膜絕緣老化收縮，使其片間的緊密度降低，產生了松動現象。鐵芯松動會產生振動，導致沖片絕緣漆膜進一步磨損、松動進一步加劇。 鐵芯沖片的電磁振動及噪聲亦將大幅增大。鐵芯沖片的強烈振動將使沖片的絕緣層嚴重脫落，這一點可以從拆除的舊沖片的生銹情況看出。鐵芯松動加劇后還將磨損定子繞組的絕緣。

該機組于1994年更換定子繞組時對定子鐵芯進行過一次壓緊處理。由于當時沒有備用沖片，故無法用增加沖片的方法重壓鐵芯，只是在上齒壓板壓指下平面堆焊金屬用于增加壓緊行程、再進行鐵芯壓緊。重壓后鐵芯沿圓周方向的高度不等，最小值為780 mm，最大值為785 mm，均小于設計值790 mm。因下齒壓板壓指的上平面未堆焊金屬，此時定子鐵芯磁力中心線較鐵芯重壓前有所下降，相當于定子機座整體下沉，從而增加了推力瓦承受的機械推力負荷，導致推力瓦溫度上升，對機組安全運行極為不利。

鐵芯重壓后，電磁噪聲仍然存在，只是有所減小。因沖片絕緣層已嚴重脫落，鐵芯壓緊力增大后沖片片間短路點劇增，鐵芯渦流損耗上升，導致鐵芯發熱更為嚴重，鐵芯運行溫度持續上升。

(3)相鄰沖片軛部接縫處的間隙較大(0.8 mm)，定子軛部圓周方向磁路磁阻增大，磁位降增大，使發電機運行時的勵磁電流增大，勵磁損耗亦增大，發電機運行效率下降。

(4)定位筋的主要作用是承受電磁扭矩和沖片定位。定位筋焊接在三個托塊上，托塊再焊接在機座上、中、下環板之上。因定位筋與中間托塊早已脫焊，本來由三個托塊承受的切向扭力現在落在兩個托塊上，其下部托塊處的定位筋因承受不了增大的扭力而出現斷裂。

5 對定子改造過程中存在問題采用的處理方法

5.1 對定位筋的處理

考慮到施工工期、發電等諸多因素，采取對定位筋半徑偏小的部位進行適量修磨、使其圓度及錐度等滿足疊片基本要求的措施。

(1)定子鐵芯中心點的確定。

從發電機上機架軸心處掛鋼琴線并以座環找中心，從發電機定子定位筋中段測量其半徑的相對讀數，+Y方向(5#定位筋)為8.14 mm、-Y方向(29#定位筋)為8.1 mm、+X方向(17#定位筋)為7.86 mm、-X方向(41#定位筋)為7.78 mm。+Y、-Y方向及+X、-X方向定位筋半徑相對讀數較為對稱，故可將其作為定子中心的基準點。

(2)定子測圓中心柱的安裝。

用鋼卷尺測出定位筋中段上述四個點大致的對稱中點位置，并使中心柱的軸線與該點位大致重合。中心柱安裝完畢，分別在中心柱的+Y及+X方向各掛一組鋼琴線，先調整中心柱的垂直度，其方法是：先在中心柱+Y及+X兩個方向分別畫一條素線并確定上下兩個端點(相距約1 m)，用內徑千分尺分別測量中心柱+Y、+X方向上素線的兩個端點至+Y及+X方向鋼琴線的距離，反復調整中心柱使其分別相等。垂直度合格后，再調整中心柱的中心。其方法是：用內徑千分尺分別測量中心柱至+Y、-Y及+X、-X方向定位筋的半徑，調整中心柱底板上的調整螺栓，使定位筋上述四點上半徑對稱，如此反復調整垂直度及中心，最終使中心柱垂直度及中心均滿足要求。

(3)定位筋修磨量的確定。

根據水輪發電機定子現場裝配工藝導則(SD287-88)4.7.5款“定位筋在各環板處的半徑偏差應在設計值的在±0.5 mm以內”的規定， 半徑合格范圍應為：7.75 ～ 8.75 mm，以7.75 mm為修磨下限，對于半徑讀數小于7.75 mm的定位筋進行修磨。修磨時，盡量使修磨面與半徑垂直，并用平尺靠修磨面使修磨部分與原始面平滑過渡。

(4)更換斷裂翹起的定位筋。

對斷裂損壞的定位筋進行現場測繪并按設計圖生產制造，現場焊接。

(5)對15根長度不符合要求的定位筋進行加長處理。

將更換的定位筋用線切割橫切成3 mm和5 mm厚兩種規格的塊，并在鴿尾槽的后部鉆φ16塞焊孔。對長度偏差小于0.5 mm和1 mm者墊入厚度為3 mm的定位筋切塊，共12處。對長度偏差小于2 mm和3 mm者,墊入厚度為5 mm的定位筋切塊，共3處。焊接方法：將定位筋切塊墊入對應編號的定位筋下端面，對齊后通過φ16塞焊孔塞焊定位。定位后在定位筋切塊與原定位筋(除鴿尾槽)的結合處施焊加固，焊后將焊接處打磨平整。通過上述方法，將定位筋下端面接長，使其對下端沖片能夠起到有效的定位作用。

對所有的定位筋進行修磨、加長處理后進行一次著色探傷檢查，避免再有斷裂的定位筋存在。

5.2 定子鐵芯疊片時階梯沖片邊緣搭疊的處理

原機組定子鐵芯半徑上、下端存在較大的錐度和橢圓度，即上端半徑大、下端半徑小的情況。雖然對定位筋進行修磨處理、減小了錐度和橢圓度，但在鐵芯試疊片時，還是出現了部分相鄰階梯沖片邊緣搭疊和翹曲的情況。具體處理方法如下：

(1)對相鄰階梯沖片邊緣搭疊和結合縫無間隙對應的定位筋再次進行適量的修磨，以消除階梯沖片片間無間隙及搭疊的情況，使其滿足下線要求并使沖片間結合縫產生一定的間隙(間隙不小于0.1 mm)。

(2)對于階梯沖片的鴿尾槽及相鄰沖片的結合縫處，用銼刀修磨以消除結合縫無間隙及階梯沖片邊緣搭疊沖片的情況。修磨時用大力鉗墊橡膠板或棉布將沖片夾緊以確保漆膜不受到損傷，粘結沖片不分層。修磨后去除毛刺，最后對修磨部分進行補漆處理，避免沖片片間短路。

(3)對于新設計制造的沖片，其相鄰沖片接縫處的單邊間隙按標準值設計，其值為0.2 mm，而原沖片為0.8 mm。對于減小勵磁電流及勵磁損耗大為有利。

6 定子改造過程驗收

(1)定子重新疊片后定子鐵芯高度的測量。

定子鐵芯安裝完畢，對定子鐵芯高度進行了全面測量復核，其值均大于鐵芯高度設計值793 mm，滿足要求。

(2)定子重新疊片后定子鐵芯圓度的測量。

采用吊鋼琴的方法，按GB 8564-2003進行驗證。

從定子鐵芯上、中、下內半徑測量數據看，其圓度滿足GB 8564-2003 規范要求，氣隙長度亦趨于均勻。

(3)定子鐵芯疊片完成后相關參數的驗證情況。

定子鐵芯疊片完成后，所有的鐵芯槽用通槽棒能順利通過，滿足下差的要求。

①定子鐵芯壓緊緊度的驗證：采用1 400 N扭力的扭力扳手檢驗拉緊螺桿；用緊度刀片檢查定子鐵芯，方法是單手插入深度不大于3 mm。鐵芯緊度驗證符合要求。

②定子鐵芯端部齒漲為0.5 mm，定子鐵芯的波浪度小于10 mm，合格。

③定子鐵芯改造前后定子與轉子安裝高程對比情況。

實測定子鐵芯平均中心線高程為5 887.5 mm，轉子磁極中心高程為5 885.75 mm，即定子鐵芯磁力中心較轉子部分磁力中心高1.75 mm。

按GB 8564-2003規范第7.5.4b款要求，定子鐵芯平均中心線高程高于轉子磁極中心，其數值小于定子鐵芯有效高度的0.4%，新安裝的定子鐵芯有效長度為584.8 mm，584.8×0.4%=2.336(mm)，故其滿足規范要求。

(4)定子鐵芯鐵損試驗。

①試驗參數計算值。

經計算，該50W270； 50W270沖片在10 000 GS時單位鐵損應≤1.56 W/kg。

②鐵損試驗結果。

鐵損試驗磁密為8 986 GS，換算至10 000GS時單位鐵損為1.26 W/kg，小于1.56 W/kg；齒部及軛部最高溫升為6.066 ℃<15 ℃(相關標準的允許溫升值)。結論：合格。

(5)改造效果比較(改造前、后的環境溫度均為30℃)。

表1 改造效果比較表

通過對定子進行更換、定子鐵芯圓度超差處理后，試驗數據合格，機組各軸承瓦溫、定子線圈及鐵芯溫度運行良好，達到了改造的目的。