長甸發電廠1號發電機改造設計方案綜述

史恩澤，姜潤東，張雪源，劉 宇

（1.長甸發電廠，遼寧省丹東市 118000；2.國家電網公司東北分部，遼寧省沈陽市 110000；3.哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江省哈爾濱市 150000）

1 概述

長甸發電廠位于遼寧省寬甸滿族自治縣境內，是中朝界河鴨綠江中下游水豐電站的擴建工程。廠區由A站和B站兩座引水式廠房組成。A站由中水東北勘測設計研究院設計，廠房內安裝1號和2號兩臺水輪發電機組，主設備由天津發電設備廠生產，水輪機型號為HL200-LJ-380，發電機型號為SF75-40/8540，1989年投產發電。

1號發電機為立式懸吊型結構，主要部件包括定子、轉子、上機架、推力軸承、上導軸承，未設計下機架和下導軸承。

1.1 定子

定子主要由機座、鐵芯和繞組組成，總重量149t。受運輸條件的限制，定子分成4瓣，在制造廠裝壓好鐵芯和分瓣下線后，分瓣運至電站工地裝配成整體并嵌合縫處線圈。機座為鋼板焊接結構，共有6個環，上環支撐上機架，底環與基礎板連接，中間環供裝定子鐵芯。 鐵芯用0.5mm厚的優質冷軋無取向電工鋼板沖成的扇形沖片疊成，片間用硅鋼片漆絕緣，每層圓由32組扇形片組成，每張扇形片均布12個槽。鐵芯上下兩端段用環氧膠黏結。線圈為條形線棒。每根線棒由29股3.52×7.41雙玻璃膠絲包銅線組成，在槽內部分采用360°換位，絕緣等級為B級。

1.2 轉子

轉子外徑7.792m，裝配后總重為301t，由轉軸、中心體、轉子支架、磁軛、磁極、擋風板及轉子引線等主要部件組成。轉軸為整體20SiMn鍛鋼，全長7.14m，凈重30t，轉子支架由中心體和8個工字形支臂組成，在電站組裝后將合縫板焊成一整體。中心體由輪轂與輻板焊接而成，輪轂與主軸靠熱套配合緊量傳遞扭矩。磁軛用3mm厚的15MnVN高強度合金鋼板沖制的扇形片疊成，每層圓由8片組成，每片均布5個極矩，徑向寬600mm。在磁軛軸向長度有6個41mm高的通風溝，內裝流線型通風槽片。磁軛與轉子支架用8對斜鍵楔緊，采用熱打鍵方式打緊，保證機組在140%額定轉速運轉時磁軛與支架之間不分離。磁極由鐵芯、線圈和阻尼繞組組成。磁極鐵芯由1.5mm厚的A3鋼板沖制和疊壓而成。磁極線圈采用帶有增大散熱凸緣的七邊形銅帶，匝間用4層0.1mm厚的環氧酚醛玻璃布B級絕緣熱壓成形。

1.3 上機架

上機架是負荷機架，內部裝有導軸承、集電環和刷桿座。上機架為鋼板焊接輻射形結構，由中心體和8個可拆卸的工字型支臂組成。導軸承位于上機架中心體下部，有8塊軸瓦，為油浸式自循環結構。

1.4 推力軸承

推力軸承裝在上機架上面的油槽內，由推力頭、鏡板、推力瓦、彈性油箱、推力軸承座和油冷卻器、油槽、密封蓋等組成。推力頭通過鍵與鎖圈固定在轉軸上。鏡板為45號鍛鋼件，用螺釘和圓柱銷固定在推力頭上。推力軸承采用單波紋彈性油箱支撐的扇形雙層瓦結構，其總負荷為650t，支撐10塊推力瓦的彈性油箱油路互相聯通。推力軸承損耗所產生的熱量由油槽內的兩塊半環式油冷卻器帶走。

1.5 通風系統

發電機采用密閉自循環空氣冷卻，通風系統為徑向式。當機組轉動時，進入轉子支架的冷風，由于轉子磁極、磁軛、支架和擋風板的鼓風作用，通過磁極間的隔風板，將冷風分為上、中、下3路分別進入定子上端部線圈、定子鐵芯通風溝和定子下端部線圈，再經過機座壁板上、中、下通風孔進入空氣冷卻器。經過空氣冷卻器作熱交換后的冷卻風分上、下吸入；一路向上由上蓋板和上擋風板之間的通風道進入轉子；另一路向下經過水泥基礎風洞由風罩和下擋風板之間的通風道進入轉子。

1.6 制動系統

采用機械制動方式，停機時轉速降為額定轉速的30%～50%，用0.7MPa壓縮空氣通入制動器內一次連續制動。在發電機轉子下部的基礎支架上裝有8個φ280mm的制動器，用于停機制動或頂轉子之用。

2 改造的必要性分析

長甸發電廠1號發電機自投入運行以來，由于設計、制造和機組長期運行的原因，存在著定子鐵芯槽口沖片逸出、鐵芯翹曲變形、定子繞組溫升過高、轉子繞組絕緣老化、制動環裂紋等諸多缺陷，這些缺陷由于設計和結構的原因，通過正常的檢修無法進行修復或更換，成為機組安全運行的重大隱患。

2.1 存在的主要缺陷

2.1.1 定子鐵芯端部槽口沖片逸出

由于機組長期運行后，定子沖片表面絕緣漆膜收縮致使定子鐵芯壓緊度降低、振動幅值增大，定子鐵芯與機座的溫差致使鐵芯與機座之間在徑向產生相對滑移，鐵芯壓緊度不足致使相鄰沖片之間的剪切力小于壓指與端片之間的摩擦力等原因，定子鐵芯上端及下端的槽口沖片產生滑移，造成端片逸出，2013年，該機組B級檢修時間檢查，沖片朝內徑方向普遍位移1～2.5mm，現場實際情況見圖1。

圖1 定子鐵芯槽口沖片逸出Figure 1 Stator core notch punching out

2.1.2 定子鐵芯翹曲變形及松動

機組運行時，定子鐵芯發熱膨脹，而機座由于采用軸向銷釘固定方式，受到約束而不能自由向外膨脹，于是鐵芯產生波浪形翹曲，在2013年B級檢修時間檢查，測量圓周方向水平波浪度最大達到13mm，遠遠超過規范允許值5mm。同時定子出現鐵芯松動、振動幅值增大現象，由機組運行初期的0.027mm，增加到2014年3月的0.043mm，超過規范規定的不大于0.03mm標準規定，現場實際情況見圖2。

圖2 定子鐵芯翹曲變形Figure 2 Warpage deformation of stator core

2.1.3 定子繞組溫升偏高

由于定子鐵芯翹曲變形導致通風路徑不暢，定子繞組溫升逐年升高，從2010年起，由于溫升過高的原因，機組不能達到滿負荷運行工況。尤其機組在夏季帶滿負荷時，定子繞組溫升將超過80℃報警值，同時發現部分定子測溫元件損壞。

2.1.4 轉子磁極絕緣老化

由于機組為20世紀80年代的產品，受當時條件所限，磁極絕緣等級為B級，制造工藝相對落后。機組投運初期曾多次發生磁極繞組接頭過熱現象，在1995年9月12日～11月8日期間，連續3次發生磁極線圈極間連接引線燒損事故，導致磁極線圈也嚴重燒損。同時設計結構上存在磁極線圈與磁極鐵芯之間縫隙大（見圖3），且沒有采取密封措施，易進灰塵油污，極身絕緣表面臟污嚴重，磁極線圈匝間絕緣和極身絕緣長期受到污染和極間連接引線多次燒損事故的波及，致使絕緣老化，絕緣性能降低。

圖3 磁極線圈與鐵芯之間的縫隙Figure 3 Gap between pole coil and core

2.1.5 制動環裂紋

2013年，1號機組B級檢修中發現：3、7、39號磁極對應的制動環各有一處裂紋。其中，3號和7號磁極對應處裂紋長20mm，深8mm；39號磁極對應的制動環散熱溝內有一處較明顯的裂紋，長40mm，深20mm，現場實際情況見圖4。

圖4 制動環裂紋Figure 4 Brake ring crack

2.2 改造的必要性分析

2.2.1 定子鐵芯槽口沖片逸出

逸出的沖片會割損定子線棒絕緣，或者在長期振動情況下斷裂，極易發生線棒對地放電，從而引發燒損線棒和鐵芯的事故（十三陵、緊水灘及小浪底等電站都曾發生過類似事故）。2014年3月，該廠再次對定子鐵芯進行檢查，發現部分逸出的沖片又朝內徑方向位移了0.5mm，有繼續擴大的趨勢，嚴重威脅機組安全穩定運行。

2.2.2 定子鐵芯翹曲變形及松動

定子鐵芯翹曲變形及松動將對機組產生以下有害影響：

（1）定子振動幅值和電磁噪聲增大。

（2）定子電流諧波分量增加。

（3）定子鐵芯損耗增加，溫度升高。

（4）損傷沖片絕緣漆膜，引起槽楔及槽墊條松動。

（5）磨損定子線棒絕緣。

（6）鐵芯圓度發生變化導致氣隙不均勻。

上述有害影響將降低機組運行壽命，危及機組安全運行，甚至發生重大設備安全事故。

2.2.3 定子繞組溫度過高

定子繞組的絕緣壽命隨著溫度的升高而呈指數關系下降，機組長期在高溫狀態下運行，會減少機組的使用壽命，致使機組故障率高，檢修周期短，甚至提前達到報廢狀態。

2.2.4 磁極線圈絕緣老化

轉子磁極線圈絕緣等級較低，為B級，轉子磁極線圈與磁極鐵芯之間縫隙大，并且沒有采取密封措施，易進灰塵油污和灰塵，因而磁極線圈匝間絕緣和極身絕緣長期受到污染，致使現在的線圈絕緣材料嚴重老化，絕緣性能極大地降低，極易造成突發性匝間短路事故，威脅機組安全穩定運行。

2.2.5 制動環裂紋

制動環屬于轉動部件，一旦裂紋擴展導致制動環斷裂，除對機組本身產生嚴重損壞外，因制動器固定在基礎上，還可能對廠房混凝土結構產生一定的破壞，發生重大安全事故，威脅機組安全穩定運行。

2.2.6 結論

根據上述分析，長甸發電廠1號發電機由于歷史原因，在設計和制造方面存在一些先天缺陷，經過20多年的運行，存在諸多安全隱患，若繼續運行，則機組的安全穩定性難以保證。為消除安全隱患，提高發電機性能和電站運行的安全可靠性，對1號發電機進行改造是非常必要的。

3 改造方案設計

鑒于長甸發電廠1號發電機存在的缺陷已構成嚴重安全隱患，經過專家綜合論證，確定如下改造方案：

3.1 定子整體更換

主要部件包括定子機座、定子鐵芯、定子繞組、銅環連接線和定子測溫元件等。

3.1.1 定子機座

（1）機座應具有足夠的強度和剛度，以承受異步同期、短路、半數磁極繞組短路等引起的各種力的作用而不發生損害和超過允許的變形，并能夠適應定子鐵芯的熱變形，以防止鐵芯松動、翹曲。

（2）機座應能承受運輸和安裝時各種力的作用而不產生損害和超過允許的變形。

（3）為了提高鐵芯裝壓質量和機座剛度，定子機座下環板與定子鐵芯的結合型式采用下端為大齒壓板結構。

（4）機座結構應為定子鐵芯、定子繞組的通風設置合適的風路。

3.1.2 鐵芯

定子鐵芯采用新的硅鋼片材料及鐵芯疊裝工藝：

（1）定子鐵芯采用低損耗、高質量、高導磁率、無時效、厚度不大于0.50mm的優質冷軋硅鋼片。每片硅鋼片兩面應涂F級絕緣漆并應形成完整的漆膜。

（2）定子鐵芯疊片全部交錯疊制，采用多段分層壓緊法，以形成一個整體、緊固鐵芯。為了減少鐵芯振動，采用端齒沖片黏結技術。

（3）疊片的壓緊由疊片裝配應力控制，并檢查壓緊螺栓的拉力以校對疊片壓緊程度。鐵芯疊片分段冷壓整體熱壓工藝壓緊。拉緊螺桿上端應設蝶形彈簧，保持恒定的壓縮量，以維持機組運行后冷熱交替鐵芯膨脹和收縮時對鐵芯必須的壓緊力，防止鐵芯長期運行后松動。定子鐵芯疊片不允許用定位件作為壓緊件。

（4）疊片用足夠數量的定位筋固定在機座上。定子疊片上、下兩端用齒壓板牢固地夾住。齒壓板的壓指應采用非磁性材料。鐵芯的拉緊螺桿不得當作定位筋使用，應采用具有可靠絕緣的高強度低碳合金鋼螺桿。

（5）定子鐵芯中通風溝應設計成使整個鐵芯長度方向的溫升盡可能均勻分布，使流經定子鐵芯的氣流暢通并使風摩損耗最小。

（6）為了壓緊鐵芯，防止齒部松動，在鐵芯的上下兩端面裝設非磁性材料的壓指，壓指與齒壓板焊接成一體，相鄰線棒之間為雙壓指結構，防止齒部松動，端片逸出。

3.1.3 定子繞組

（1）繞組絕緣采用F級絕緣，優先采用VPI或VPR真空加壓浸漬的成熟可靠工藝，使絕緣和線棒成為無空隙的嚴密而均勻且有一定彈性的整體。成型后線棒的電氣性能、機械性能、抗老化性能、耐潮性能和難燃特性應符合有關國家標準要求。

（2）定子繞組導體應為電解銅，純度不低于99.9%。

（3）線棒在定子槽內與鐵芯之間應緊密配合，在結構和工藝上應采取措施，其槽電位的實測值小于10V。

（4）為減小股線在槽部漏磁場中不同位置產生循環電流而引起的附加損耗和股線間電動勢差和溫差，線棒的股線應進行換位。定子線棒在整個定子鐵芯長度上應采用羅倍爾換位或其他更佳的換位方式。

（5）繞組的端部、槽部、槽口和連接線應牢固地支撐和固定，并有可靠防松動措施，使之在頻繁起動和各種工況下以及非正常運行情況下避開各種運行工況共振頻率不產生松動、位移和變形。槽部和端部的支持結構，除要求有足夠的機械強度外，對端部還要求與齒壓板等金屬部件有足夠的絕緣距離。定子繞組的端箍（上、下端部均設置）及支撐件應采用非磁性材料。所有的接頭和連接應采用銀、銅焊接工藝，接頭處的載流能力不得低于同回路的其他部位。端部絕緣用環氧澆筑。定子槽楔及墊條的絕緣等級為F級。采用的緊固結構和工藝應為成熟的和有安全穩定運行經驗的，確保使繞組雖受力而不產生危險振動或雖受振動而不松動，且繞組在出槽口處絕緣不磨損、不破壞，確保繞組壽命在40年以上。

（6）繞組應具有良好的防電暈和耐電腐蝕性能，在槽部、端部等部位應采取防暈措施。定子繞組的端部絕緣，應采用防暈層與主絕緣一次成型的結構和工藝。槽部防暈層應采用合適的和穩定的線性電阻值，對溫度相對穩定，且和主絕緣相容性好。為使線棒與槽壁接觸良好，應采用性能好的半導體性質的適形材料塞墊在線棒和槽壁間。防暈層應具有良好的防暈性能、溫度穩定性和化學穩定性以及良好的機械和電氣性能，并能在長期運行中保持這些特性。

3.1.4 銅環引線

提升絕緣等級至F級，使之與定子繞組的絕緣等級相匹配。所有銅環引線與線棒的連接均采用銀焊，并符合有關國家標準的技術要求。

3.1.5 定子測溫元件

對定子線圈和定子鐵芯的全部測溫元件、溫度巡檢儀及之間的線路進行更換，以解決原發電機定子測溫元件老化的問題，使之能夠準確有效地反映出定子溫度。

3.2 轉子

保留原轉子支架，更換磁極、磁軛、極間連接線、轉子引線、轉子中心體與轉子支架連接螺栓等的更換，增設磁軛下壓板，改造制動環為可拆卸式等。

3.2.1 磁極

（1）磁極采用有同類機組成功運行經驗或經設計計算驗證的可靠結構。材料的安全系數應按最大和平均計算應力來確定。

（2）磁極鐵芯在工廠組裝，應采用由拉緊螺桿緊固的高強度薄鋼板制成，壓板材料采用鍛鋼。

（3）磁極線圈采用無氧硬銅排拼焊成型結構，其純度不得低于99.95%。銅排形狀設計時應考慮增大散熱面，線圈的絕緣為F級。匝間絕緣采用上膠Nomex紙，與相鄰匝完全黏合且突出每匝銅排表面，磁極線圈熱壓成整體。極身絕緣采用Nomex紙和HEC56102雙組分室溫固化膠，磁極線圈與磁極鐵芯之間分段填充浸漬滌綸氈夾一層環氧玻璃布板。磁極線圈首末匝與磁極鐵芯和鐵托板間設有防爬電的絕緣墊。鐵托板將磁極線圈牢固地固定在磁極鐵芯上，鐵托板上側設置尼龍繩，可有效地密封磁極線圈與磁極鐵芯之間的縫隙。

（4）磁極結構設計考慮拆除和更換磁極的方便，設置合適、可靠的磁極線圈固定方式，采用在不吊出轉子和不拆除上機架情況下，更換轉子磁極、定子上層線棒以及對定子繞組端部和定子鐵芯進行預防性檢查。

3.2.2 磁軛

原磁軛沖片保留，增設磁軛下壓板，更換通風槽片、更換壓緊螺桿，為防止拆除過程中原磁軛沖片可能損壞，要求制造廠補充原磁軛沖片總量的15%作為備用，并優先使用新沖片，采取各種措施，確保磁軛的疊裝質量及整體性。

為能有效控制磁軛的傾斜度和波浪度，磁軛上下壓板應有足夠的剛度，其厚度應大于20mm，磁軛下壓板采用整圓結構。

3.2.3 制動環

原發電機轉子制動環兼作磁軛下壓板，為20世紀80年代的技術，設計結構不合理，發電機檢修維護難度大。改造后的制動環應為可拆卸式，制動環與磁軛下壓板為分離式結構，以解決原設計結構不合理的問題。

3.3 制動器更換，增設粉塵收集裝置

3.3.1 機械制動裝置

由于發電機制動環改造為可拆卸式，原制動器頂面設計高程已不能滿足機組制動工作要求，需將制動器全部進行更換。

要求新設計的制動裝置單獨使用時，應能使機組在規定時間內從35%額定轉速加閘至完全停止旋轉。

3.3.2 粉塵收集系統

為確保發電機安全可靠穩定運行，減少污染，增設制動粉塵自動收集系統一套，以便清除在機組制動過程中產生的粉塵，消除粉屑對定子和轉子的污染。

收集的粉塵應能方便地從收集室中清除，粉塵收集系統的管路應采用金屬軟管。

3.4 電氣制動裝置

為了盡量減少機械制動時間，減少對制動環的磨損及由此產生的粉塵、污染環境，增設一套完全獨立的電氣制動系統，該裝置應使用國內目前成熟的技術，系統設備主要包括制動短路隔離開關、電制動變壓器及制動整流柜等。

3.5 通風系統

通風冷卻系統仍采用無外加電動風機的徑、軸向通風方式。通風冷卻系統應做到冷卻效果好、效率高、噪聲低。擋風板支撐材料要求用非導磁材料，并要求方便拆卸以便于檢查線圈[1-2]。

4 改造的實施過程

2014年12月，長甸發電廠1號發電機改造可研立項獲得國家電網公司正式批復，2015年5月，完成初步設計工作，9月完成了設備招標工作，哈爾濱電機廠有限責任公司中標，11月完成合同簽訂。2016年1月和5月，分別召開了一聯會、二聯會，確定了改造技術方案。2017年4月，在廠房安裝間，進行定子組裝工作，10月下旬，1號機組正式停機，改造工作全面展開，同時進行機組A級檢修，2018年5月下旬，機組安裝工作全部完成，7月完成全部調試和試驗工作，各項性能均滿足合同要求。

5 技術改進設計說明

5.1 改造前后主要型式及參數對比

改造前后主要型式及參數對比情況如表1所示。發電機改造后定子整體重量較改造前有所增加，增加重量集中在機座上，目的是增強定子機座的強度，確保定子在承受各種力的作用時不發生有害變形，轉動部件重量未發生變化，通過對通風擋風板設計優化及發電機絕緣等級提升，提高了發電機最大功率輸出能力。

表1 1號發電機改造前后主要型式及參數對比Tab1e 1 Comparison of main types and parameters of No.1 generators reconstruction （ before and after reconstruction ）

續表

5.2 技術改進情況介紹

針對改造前1號發電機存在的缺陷，在設備制造和現場安裝階段進行了進一步優化，主要措施包括：

5.2.1 采取防定子鐵芯槽口沖片逸出措施

定子鐵芯壓緊采用穿心螺桿結構，并將上、下兩端第一段沖片的鴿尾槽設計為閉口槽，以及在軛部增加絕緣銷，提高了限位能力。

5.2.2 采取防定子鐵芯翹曲變形措施

定子機座與基礎板定位由改造前采用軸向銷，改造后更改為徑向銷與基礎連接，并按鐵芯與機座接觸考慮，將定子鐵芯翹曲的安全系數提高到9.39，超過規范規定的安全系數5的要求。

5.2.3 定子組裝工藝改變

原定子在制造廠內進行鐵芯疊片和下線，分瓣運至工地裝配，在機坑內組合成整體并嵌合縫處線圈，由于機座和鐵芯存在組合縫的原因，定子整體的強度和抗拉性降低。新定子采用機坑外組裝技術，機座焊接成整體。鐵芯疊片采用交錯疊制，多段分層壓緊法，完全形成一個整體，增加了定子的強度和抗變形能力。

5.2.4 通風系統優化

由制造廠對原通風方式進行重新核算，對擋風板結構和安裝位置進一步優化，重新設計空氣冷卻器，轉子上、下擋風板由原設計固定在上機架和轉子下部混凝土上，改造為固定轉子上的旋轉擋風板，便于檢修時分解與安裝[3-7]。

6 結束語

本文綜合論述了長甸發電廠1號發電機改造全過程，經歷了可研立項、初步設計、招標設計、產品設計、安裝和試驗全過程，通過全面統計缺陷、分析缺陷產生原因，對改造必要性進行綜合論證，在招標設計和產品設計階段，針對原設計存在的缺陷和不足提出了針對性的解決措施，并采用當前國內先進和成熟的技術，使1號發電機改造后整體性能有了顯著的提高，確保了設備安全穩定運行，改造積累的經驗將為今后同類設備改造提供借鑒作用。