海南瓊中抽水蓄能電站轉子磁極主引線結構工藝的優化改進

符天驥，張 丹，王建鑫

(海南蓄能發電有限公司，海南海口570100)

海南瓊中抽水蓄能電站(以下簡稱“海蓄”)位于海南省瓊中縣境內，工程主要任務是承擔海南電力系統的調峰、填谷、調頻、調相、緊急事故備用和黑啟動等任務。電站距海南省海口市、三亞市直線距離分別為106、110 km，距昌江核電直線距離98 km。電站安裝3臺單機容量200 MW的可逆式水泵水輪發電機組，總容量600 MW，為二等大(2)型工程。發電機型式為三相、立軸、半傘式、雙向旋轉、凸極式發電電動機。主要參數為：發電機工況下，額定容量222.2 MV·A，額定電壓13 800 V，額定電流9 297 A，額定勵磁電壓231 V，額定勵磁電流1 532 A，勵磁方式可控硅自并勵；電動機工況下，額定功率220 MW，額定電流9 581 A，額定勵磁電壓211V，額定勵磁電流1 395 A。

1 發電機磁極引線的介紹

發電機磁極引線作為關鍵的過流部件，流過勵磁的大電流。因此，該部件的通流和絕緣情況顯得尤為重要。通流情況不好，導體容易發熱，進而導致引線的燒毀。絕緣情況不好容易引起轉子磁極的接地，影響機組的運行，甚至燒毀磁極。

磁極引線的導體截面選型時考慮了過流裕度，在一體成型的導體中一般不會產生異常發熱，往往是現場安裝的搭接面才是發熱的關鍵部位。現如今，發電機轉子磁極引線的連接一般采用螺栓壓接的方式。

為了避免磁極引線過熱燒毀，需要分析引起發熱可能的因素，并針對不同的原因采取應對措施。常見的造成發熱原因主要有如下幾點：

(1)設計時不同形狀導體連接處，搭接面積裕度不夠。不同形狀的導體搭接在一起時，將選取面積小的那一面作為計算電流密度的參考，尤其是轉彎或拐角的搭接面容易出現搭接面積過小的情況。材料選型和形狀配合在考慮安裝緊固的同時，也要考慮過流面積的裕度問題。

(2)螺栓不匹配或安裝緊固程度不夠，連接塊選型不對造成接頭連接壓力不足，引起發熱。接頭接觸面不平整、氧化或有污漬，螺栓壓接不使用導電平墊，導致接頭實際接觸面積過小，引起發熱。

(3)施工工藝質量控制不嚴。接頭接觸面處理不當，如有毛刺、接觸面不平整，導電體彎曲或扭轉角度不對、固定螺絲著力不均勻、涂抹導電膏或電力復合脂時混入雜質。

(4)檢修、維護、保養超周期或沒有按照設備規程進行定檢。機組檢修時未專注接頭搭接情況，運行時間較長時，在機械、電、熱應力的作用下，接頭產生變形、磨損、螺栓松動等造成接觸不良。

2 海蓄磁極主引線原設計存在的風險

海蓄電站勵磁電流從勵磁盤柜產生，經過勵磁電纜接入發電機集電環，通過上端軸內部的兩條圓銅桿引至磁軛頂部。螺桿外圍在出廠前已進行絕緣包裹，通過焊在大軸內部的金屬墊塊進行固定。磁極主引線穿軸結構可以等效為一個螺栓和螺母把合兩塊銅排，銅排與金屬墊塊之間用絕緣墊塊隔絕，兩個銅排分別與大軸內外側的圓銅桿連接。大軸外側的銅桿沿著上端軸的結構敷設固定，在磁軛與中心體的連接處通過彎曲成弓形的銅排連接，此處的連接為螺栓把合。最后通過固定在磁軛頂部的銅排與8對磁極引出的兩個銅排連接。

海蓄電站發電機磁極主引線在設計之初主要有兩個問題：①在磁軛頂部段的相間距離太近，容易產生相間短路；②穿大軸的螺桿兩端與銅排連接處通流截面偏小，容易引起導體發熱。

磁軛頂部磁極主引線相間距離設計間距只有12 mm，而且銅排未包裹任何絕緣材料。雖然磁極電壓只有400 V，從絕緣距離上能夠滿足要求，但是機組運行時間長了，勢必在銅排間積蓄灰塵，造成絕緣距離不夠，可能導致磁極相間短路。

原設計磁極主引線穿大軸的結構為螺栓加螺母把合銅排的型式。該形式便于安裝和拆卸，但是大軸內側和外側螺栓與銅排搭接面存在過流裕度不夠的風險。因為螺帽與銅排搭接的過流面積為六角形減去圓孔，剩余的面積已經非常小，此處流過大電流時產生的熱量可能會燒毀引線。

根據廠家的設計要求，海蓄電站額定電壓13 800 V、額定勵磁電流1 532 A，按照電流密度不能大于0.5 A/mm2的要求，則接頭部件接觸面積應大于1 532÷0.5=3 064 mm2。

按照下圖所示海蓄穿軸螺栓銅六角螺母的估算尺寸，計算其接觸面積為： ①對于M39銅螺母，設定e=66.44 mm(對角)，s=60 mm(對邊)，m=34 mm(厚度)。②六方面積(33.22×30)÷2×6=2989.8 mm2。③M39螺孔面積約3.14×(39÷2)2≈1194 mm2。④六角螺母與銅排接觸面積2 989.8-1 194=1 795.8 mm2<3 064 mm2。⑤螺母與螺桿的接觸面積3.14×39×34≈4 163.64>3 064 mm2。

由此可見，設計的六角螺母與銅排接觸電密最大達到1 532÷1 795.8≈0.85，顯然不能滿足一般的設計要求。

圖1 原磁極引線穿大軸結構設計

3 優化和改造方案

經過專家和廠家的意見交流，結合電站的安裝工期，確定優化方案為：用玻璃絲帶浸漬EP139包裹裸露的磁極主引線，徹底隔絕短路的風險。這種方案在不改動銅排位置的情況下，做到相間的隔離。整改的措施不復雜，效果也比較顯著。

圖2 改造后磁極引線穿大軸結構設計

穿軸結構的改造方案主要是單螺母改為雙螺母，接觸面積增加一倍。六角螺母與銅排接觸面積：1 795.8×2=3 591.6>3 064 mm2，1 532÷3 591.6≈0.43，滿足廠家設計要求。具體方案如下：

(1)將大軸外側的單螺母改為雙螺母，由于空間的限制采用一個標準的M39銅螺母和一個薄M39銅螺母，從兩側與銅排進行搭接。

(2)將銅螺桿改為雙頭銅螺柱，長度由363增加為395，軸內側增加兩個銅螺母，從兩側與銅排進行搭接。

(3)螺母和螺桿采用鍍銀處理，提高通流效果。

(4)螺母與銅排的接觸電密0.43 A/mm2。

(5)施工時先安裝兩個薄螺母，再安裝兩個標準螺母。安裝螺母時涂抹少量導電膏(用于控制螺母的擰緊力矩)。

(6)機組過速后將螺母再次擰緊后，將兩個標準螺母部位的螺牙破壞進行鎖定。

在穿軸結構改造的過程中，由于引線的位置是分段通過焊接在大軸上的墊塊固定的，而且磁軛與大軸銜接的轉彎區域限制了引線的徑向活動空間，所以銅排的位置已經限定不能移動，只能對原金屬墊塊進行加工，把墊塊從大軸上解焊開，削去一定厚度的墊塊，讓出一個薄螺母的距離，相互配合才能安裝。

支撐墊塊是滿焊在大軸上的，拆除墊塊需要碳棒氣爆開焊縫，轉子已經組裝完畢，解焊的防護工作就顯得尤為重要。在拆除銅排后，除了解焊的部位，其他在焊渣可能掉落的地方都用加厚帆布進行覆蓋保護，措施做完申請三級驗收通過后開始工作，作業完畢恢復措施并仔細清理現場。

4 總 結

轉子是發電機的關鍵設備，轉子磁極引線流過勵磁大電流，電流通過導體不順暢時會積蓄熱量，運行久了容易燒毀引線，因此磁極引線容不得絲毫的質量問題，因此在發電機的安裝中要引起足夠的重視。針對磁極引線的設計和制造安裝，海蓄總結的經驗如下：

(1)在設計階段需要同時關注機械強度和過流密度，尤其是不同形狀的導體搭接面需要特別關注過流密度。另外，需考慮導體的絕緣措施是否充足可靠，正負相間距離較近時，必須進行絕緣包扎，徹底消除導體或異物附著引起的短路現象。

(2)在安裝過程中要關注導體搭接的緊固情況，以及絕緣支撐是否良好地隔絕導體和磁軛的電氣聯系，各項驗收把關要準確到位。

(3)在日后的運維階段，需長期關注緊固螺栓是否有松動的情況，鎖定片是否鎖緊螺母。過流導體是否有電弧灼燒的痕跡，尤其關注導體搭接、導體與支撐之間的部位。

海蓄電站在各方專家的細心指導下，對磁極引線進行了一定程度的改造，廠家積極拿出整改措施，在保證改造質量的同時也滿足安裝工期。運維人員在日常檢修中，務必做好該部件的狀態監測和隱患排查，及時消除可能影響機組正常運行的缺陷。