定子鐵心沖片絕緣涂層更新技術(shù)在水輪發(fā)電機(jī)技術(shù)改造中的應(yīng)用

紀(jì)遠(yuǎn)英

（德陽遠(yuǎn)東機(jī)電有限責(zé)任公司，四川 德陽 618000）

0 前言

制定發(fā)電機(jī)技術(shù)改造方案時(shí)，除了要消除發(fā)電機(jī)長期運(yùn)行后出現(xiàn)的絕緣老化等技術(shù)性能下降和安全隱患以外，還應(yīng)該結(jié)合機(jī)組實(shí)際情況，與時(shí)俱進(jìn)地保持發(fā)電機(jī)技術(shù)性能的持續(xù)優(yōu)化，如應(yīng)用現(xiàn)今發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)制造的先進(jìn)技術(shù)成果，對發(fā)電機(jī)進(jìn)行具有再制造性質(zhì)的技術(shù)改造就是實(shí)現(xiàn)路徑之一，從而使發(fā)電機(jī)技術(shù)改造遵循技術(shù)上先進(jìn)、工藝上合理、環(huán)保上進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)上合算等原則，以求取得事半功倍的成效。

1 發(fā)電機(jī)相關(guān)參數(shù)

型式 立軸懸式三相同步發(fā)電機(jī)

型號 SF76-16/5100

額定容量 89.4 MVA

額定功率 76 MW

額定電壓 13.8 kV

額定電流 3 740.7 A

功率因數(shù) 0.85(滯后)

頻率 50 Hz

額定轉(zhuǎn)速 375 r/min

飛逸轉(zhuǎn)速 647 r/min

相數(shù) 三相

絕緣等級 F

定子鐵心外徑5 100 mm，定子鐵心內(nèi)徑4 220 mm，定子鐵心高度1 840 mm。

2 對發(fā)電機(jī)定子鐵心實(shí)施改造的起因及問題性質(zhì)分析

PQ 水電站2F 發(fā)電機(jī)已運(yùn)行13 年，在發(fā)電機(jī)相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)（溫度、振擺、電流、電壓等）未超標(biāo)條件下，運(yùn)行期間出現(xiàn)過異味、煙霧，消防感煙探頭報(bào)警等非正常情況。

停機(jī)檢查后，發(fā)現(xiàn)定子鐵心內(nèi)圓合縫附近表面有膠狀黑色附著物，將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子吊出、拆除空冷器后發(fā)現(xiàn)定子合縫處鐵心有錯(cuò)位、變形、松動(dòng)現(xiàn)象，合縫處適形絕緣墊已碳化。

此后對鐵心合縫面進(jìn)行臨時(shí)處理：定子穿心螺桿緊固并防松動(dòng)鎖固，對粘連嚴(yán)重的硅鋼片進(jìn)行削刮打磨，對于損傷輕微的硅鋼片進(jìn)行翻片重新涂刷絕緣膠，合縫面根據(jù)間隙墊入耐熱性和絕緣性能更好的F 級絕緣紙，合縫處鐵心線棒槽內(nèi)增加測溫電阻，合縫處線棒試驗(yàn)檢查重新涂刷絕緣層，做相關(guān)試驗(yàn)合格后機(jī)組恢復(fù)發(fā)電運(yùn)行。

經(jīng)臨時(shí)處理后的2F 發(fā)電機(jī)在運(yùn)行監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，上機(jī)架垂直振動(dòng)存在異常16 倍頻振動(dòng)分量、發(fā)電機(jī)有異常電磁聲，是否存在較大的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)存疑，故進(jìn)一步分析認(rèn)為原因如下：

受運(yùn)輸條件所限，PQ 電站2F 發(fā)電機(jī)定子鐵心為分瓣結(jié)構(gòu)，兩瓣定子機(jī)座和鐵心在工廠疊裝后，運(yùn)到水電站廠房內(nèi)再組合成整圓定子鐵心。因受定子鐵心分瓣結(jié)構(gòu)制約，造成定子鐵心每個(gè)分瓣合縫處缺少一根穿心拉緊螺桿，由此造成處于鐵心合縫面處的鐵心沖片壓緊力不足、整體性較差，運(yùn)行中該部位鐵心沖片易于出現(xiàn)翹曲和松動(dòng)。為防止鐵心沖片絕緣在分瓣鐵心合縫處磨損造成鐵心沖片間短路，在組合分瓣鐵心時(shí)，鐵心分瓣處放入1 mm 厚的絕緣墊板。

不分瓣（半）定子的鐵心磁路是均勻變化的，分瓣（半）定子在鐵心斷開處鐵心是不連續(xù)的，根據(jù)磁路定理：閉合磁路的磁動(dòng)勢等于各段磁路上磁位降落之和。而空氣和絕緣墊的磁阻是定子鐵心磁阻的5 000 倍左右，鐵心分瓣處磁阻的巨大差異會導(dǎo)致該處的磁動(dòng)勢突變，這種磁動(dòng)勢的突變會使發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢相應(yīng)突變，因而發(fā)電機(jī)輸出電壓波形中除了正弦波以外還有高次諧波。發(fā)電機(jī)運(yùn)行中，高次諧波易于導(dǎo)致定子鐵心和定子支撐機(jī)架發(fā)生徑向和軸向振動(dòng)，甚至導(dǎo)致發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電磁噪聲。

定子鐵心的熱傳導(dǎo)系數(shù)是絕緣墊片的250 倍左右，鐵心中渦流產(chǎn)生的熱量在鐵心分瓣（半）處遇到絕緣墊片傳熱速度下降，導(dǎo)致分瓣處斷開的鐵心部位溫度高于連續(xù)鐵心部位的溫度，有溫度差就會有熱應(yīng)力，而有熱應(yīng)力就會造成分瓣（半）面處的鐵心沖片變形翹曲和松動(dòng)，變形松動(dòng)的沖片會在電機(jī)磁場作用下發(fā)生振動(dòng)，當(dāng)鐵心沖片頂穿絕緣墊片后，就會發(fā)生沖片相互摩擦和碰撞，繼而造成鐵心沖片絕緣漆膜破損、分瓣（半）處沖片上下層相互連通后，在鐵心中渦流產(chǎn)生電流就會通過該聯(lián)通的表面而發(fā)熱，進(jìn)而燒壞鐵心。當(dāng)分瓣（半）面鐵心振動(dòng)、發(fā)熱和變形嚴(yán)重時(shí)，就可能造成處于分瓣（半）線圈槽內(nèi)的線圈主絕緣損壞而發(fā)生線圈對地短路的事故。

3 制定發(fā)電機(jī)定子鐵心技術(shù)改造方案的原則和思路

21 世紀(jì)以來的20 多年，是我國水電站建設(shè)的高峰時(shí)期，同時(shí)也是中國水利發(fā)電設(shè)備設(shè)計(jì)制造技術(shù)進(jìn)步最快、取得成就最大的時(shí)期。鑒于大型水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組運(yùn)行壽命可達(dá)40～50 年以上，當(dāng)水電站發(fā)電機(jī)組進(jìn)行技術(shù)改造時(shí)，這些發(fā)電機(jī)組通常已經(jīng)運(yùn)行十年以上。對水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)制造技術(shù)而言，當(dāng)制定發(fā)電機(jī)定子鐵心技術(shù)改造方案時(shí)，把在這十年甚至更長的時(shí)間里發(fā)展成熟、經(jīng)過運(yùn)行實(shí)踐驗(yàn)證、又切實(shí)可行的先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用到發(fā)電機(jī)技術(shù)改造方案中，就有可能收到與時(shí)俱進(jìn)、事半功倍的成效。

比如，由于計(jì)算機(jī)流體仿真設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪技術(shù)改造后，因水輪機(jī)效率提高出力增加，若此時(shí)發(fā)電機(jī)定子鐵心通過改造能夠增加出力，機(jī)組就可以多發(fā)電；再如，更耐熱、更環(huán)保沖片絕緣涂層和絕緣和性能更好的新型絕緣材料已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段，發(fā)電機(jī)鐵心運(yùn)行溫度可以適度提高；散熱效果更好、溫差更小的發(fā)電機(jī)鐵心徑向通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)在不少重要的大型發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行效果中得到了驗(yàn)證[1]……。

3.1 將分瓣疊裝的定子鐵心改為整體疊裝鐵心

國內(nèi)外不少水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行實(shí)踐表明，由于定子鐵心分瓣面多處于線圈槽中心線上，在鐵心分瓣處線圈槽底發(fā)生線圈主絕緣擊穿而接地故障的概率，遠(yuǎn)高于其它槽內(nèi)的線圈。

在工地將鐵心沖片疊裝為整體鐵心，從而顯著增強(qiáng)了定子鐵心的整體性和剛性。沒有鐵心分瓣面的整圓鐵心磁路沒有突變，從而改善了發(fā)電機(jī)的輸出電壓波形，既解決了高次諧波造成電磁振動(dòng)問題，又解決了因鐵心分瓣間隙造成的連接不緊密所引發(fā)的鐵心溫差變形和振動(dòng)問題，從而從根本上消除了因鐵心分瓣而產(chǎn)生發(fā)電機(jī)運(yùn)行故障的隱患[2]。

3.2 更新鐵心沖片的絕緣涂層

3.2.1 消除絕緣涂層損壞的途徑

水輪發(fā)電機(jī)長期運(yùn)行后，不同部位的鐵心之間會有溫度差，有溫度差就會有熱應(yīng)力，有熱應(yīng)力就會導(dǎo)致鐵心變形，不同部位的鐵心受到約束不同，所發(fā)生的變形也會不同，就會發(fā)生翹曲變形之類的問題。通過減小鐵心分段高度、加大鐵心預(yù)緊力和增加鐵心沖片涂層中固體成分的導(dǎo)熱性，可以減小鐵心的溫差和變形。

在鐵損、銅損發(fā)熱和熱變形的綜合作用下，涂敷在定子鐵心沖片表面的絕緣涂層在發(fā)電機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后，會不同層度地出現(xiàn)絕緣性能下降、涂層磨損和脫落、甚至涂層燒損，鐵心渦流增大和局部溫升過高燒損鐵心甚至線圈絕緣擊穿短路等故障；電磁和機(jī)械振動(dòng)，也會造成鐵心沖片絕緣涂層磨損。諸如此類的問題，均會顯著降低發(fā)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。所以提高沖片絕緣涂層的耐熱等級和抗壓能力、減小發(fā)電機(jī)鐵心運(yùn)行溫度差，就是可以有效地防止沖片絕緣涂層損壞的有效措施。

3.2.2 有機(jī)絕緣涂層和水溶性絕緣涂層的技術(shù)特點(diǎn)

1983 年以前，國內(nèi)設(shè)計(jì)制造的多數(shù)水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心沖片的絕緣涂層均為非水溶性有機(jī)漆絕緣涂層和非水溶性半有機(jī)絕緣涂層，為改善涂覆工藝性而添加的有機(jī)溶劑含量占比約60%～70%（二甲苯、醇、酯類物質(zhì)的混合物），其起絕緣作用的基體樹脂只占25%～31%（其成分為醇酸樹脂、環(huán)氧聚酯酚醛樹脂以及作為填料的SiO2粉末）。

發(fā)電機(jī)服役期間，在鐵心沖片有機(jī)絕緣涂層中的有機(jī)溶劑中含有的低分子量成分會揮發(fā)（如二甲苯，其沸點(diǎn)為137℃～140℃），最后留下在硅鋼片表面的漆基固體成分不過10%～20%。當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行一段時(shí)期后，鐵心沖片表面的絕緣漆膜會有收縮、蠕變甚至剝離現(xiàn)象，從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)鐵心不同程度地發(fā)生沖片松動(dòng)、片間絕緣水平降低和沖片翹曲等問題。

PQ 水電站2F 發(fā)電機(jī)定子鐵心原絕緣涂層為133C 沖片半無機(jī)絕緣漆（漆基是改良性環(huán)氧酚醛樹脂），絕緣等級為F 級。F 級絕緣的最高允許溫度為155℃，沖片使用條件下的參考溫度按130℃估算。

鐵心發(fā)熱[3]是影響沖片絕緣涂層壽命的主要因素，在不同的使用條件下，絕緣的耐熱壽命通常有很大的差別。有關(guān)試驗(yàn)證明，在額定溫度下，絕緣的持續(xù)使用壽命約為7～8 年，對于B、F、H 級絕緣，工作溫度每上升10℃、12℃、14℃，其絕緣的壽命將縮短一半。

根據(jù)國外試驗(yàn)結(jié)果[4]，作為硅鋼片絕緣漆漆基的醇酸酚醛樹脂絕緣材料壽命與工作溫度之間的關(guān)系如表1。

表1 絕緣壽命與使用溫度的關(guān)系

按發(fā)電機(jī)每年運(yùn)行4 500 h 計(jì)算，PQ 發(fā)電機(jī)已經(jīng)運(yùn)行54 000 h，對于耐熱等級為F 級的半有機(jī)絕緣涂層，當(dāng)發(fā)電機(jī)已經(jīng)運(yùn)行12～13 年后進(jìn)行鐵心技術(shù)改造時(shí)，對定子鐵心沖片絕緣涂層進(jìn)行更新是必要的。

由于水電機(jī)組通常在相對封閉的廠房中運(yùn)行，甚至被安裝在完全封閉的地下發(fā)電廠房中。在發(fā)電機(jī)長期運(yùn)行期間，有機(jī)絕緣涂層中的有機(jī)溶劑中含有的低分子量的碳?xì)浠衔餁怏w成分會逐漸地?fù)]發(fā)到發(fā)電機(jī)廠房內(nèi)的空氣中，雖然其相對揮發(fā)量遠(yuǎn)小于絕緣漆涂敷工序，但封閉的發(fā)電機(jī)機(jī)坑和廠房內(nèi)通常沒有循環(huán)空氣過濾設(shè)施，這些有機(jī)溶劑揮發(fā)氣體長期積聚，會對發(fā)電機(jī)運(yùn)行人員的健康和舒適度有一定的負(fù)面影響。

半無機(jī)硅鋼片絕緣漆的耐熱等級有F 級（如133C）、水溶性硅鋼片絕緣漆耐熱等級有H 級（如E1151A、EB5001G）。從B 級、F 級和H 級絕緣的最高耐熱溫度（分別為130℃、155℃和180℃）可知，在水輪發(fā)電機(jī)通常運(yùn)行條件下，H 級的水溶性硅鋼片絕緣漆涂層的使用壽命遠(yuǎn)高于F 級有機(jī)絕緣漆涂層。

水溶性硅鋼片絕緣漆含有65%～75%的無機(jī)粉體填料（如細(xì)度為0.5～4 μm 的TiO2、SiO2等粉體），無機(jī)粉體填料具有相當(dāng)高的電氣絕緣、機(jī)械強(qiáng)度及耐高溫性能，使絕緣涂層的抗壓強(qiáng)度和硬度提高。運(yùn)行后，涂層中填料粉體不會揮發(fā)，在鐵心壓緊力下，其厚度變化遠(yuǎn)小于有機(jī)漆涂層，故允許提高鐵心的壓緊力，預(yù)緊力提高后鐵心不易發(fā)生松動(dòng)。即便發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中因局部磁負(fù)荷偏高，局部鐵心溫升過高，鐵心沖片絕緣膜發(fā)生過熱而燒蝕碳化時(shí)，其無機(jī)粉體填料在沖片層間形成的較致密絕緣隔離層起阻斷渦流穿過涂層的作用，能有效地防止鐵心過熱區(qū)體積和面積擴(kuò)大。

除了提高硅鋼片絕緣漆的耐熱等級（水溶性硅鋼片絕緣漆的耐熱等級為H 級，其極限工作溫度比耐熱等級為F 級有機(jī)硅鋼片絕緣漆要高25℃）以外，絕緣涂層中固體成分的導(dǎo)熱系數(shù)大于漆膜，讓鐵損發(fā)熱量易于傳導(dǎo)到通風(fēng)槽板的散熱表面，從而降低各段鐵心內(nèi)部的渦流發(fā)熱的梯度，從而減小鐵心的內(nèi)應(yīng)力和變形。

用絕緣性能和環(huán)保性能更優(yōu)良水溶性硅鋼片涂層替換原鐵心沖片的有機(jī)絕緣涂層，能顯著提升沖片絕緣性能，而水溶性硅鋼片絕緣涂層的主要溶劑是對人和環(huán)境無害的水，由此就徹底地消除了發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中絕緣涂層材料可能揮發(fā)到廠房空氣中的有害氣體，為水電站運(yùn)行人員創(chuàng)造潔凈舒適的工作環(huán)境。

近十幾年來，采用絕緣和環(huán)保特性更好的水溶性硅鋼片絕緣漆來作為定子鐵心沖片涂層材料，已經(jīng)成為世界電力行業(yè)和發(fā)電機(jī)制造行業(yè)的共識，不少發(fā)達(dá)國家已經(jīng)明令禁止將有機(jī)絕緣漆用于電力設(shè)備鐵心沖片絕緣涂層上。

目前運(yùn)行中的水輪發(fā)電機(jī)，有不少定子鐵心沖片絕緣涂層還是用有機(jī)、半有機(jī)絕緣漆涂覆的（1983年以前制造的國產(chǎn)水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心絕緣涂層，均為有機(jī)、半有機(jī)絕緣涂層；1983 年以后國內(nèi)制造的水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心沖片還有一部分仍為有機(jī)、半有機(jī)絕緣涂層，尤其是2010 年前投運(yùn)的國產(chǎn)中小容量水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心沖片采用有機(jī)、半有機(jī)絕緣涂層的占比還比較大）。由于長期運(yùn)行導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)鐵心沖片絕緣性能劣化和當(dāng)下全社會實(shí)施更嚴(yán)格環(huán)境保護(hù)規(guī)定，在實(shí)施發(fā)電機(jī)定子鐵心技術(shù)改造時(shí)，采用絕緣性能更為優(yōu)良（如耐熱等級為H 級，允許最高使用溫度為180℃）和環(huán)保性能更為友好的水溶性硅鋼片絕緣漆作為定子鐵心硅鋼片絕緣涂層已經(jīng)成為理所當(dāng)然的選擇[5]。

利用對定子鐵心實(shí)施技術(shù)改造需要拆下和重新疊裝鐵心沖片的機(jī)會，更換鐵心分瓣面處已經(jīng)發(fā)生燒損的鐵心沖片，采用耐熱等級為H 級的水溶性硅鋼片絕緣漆對其它部位的鐵心沖片絕緣涂層進(jìn)行更新。對已經(jīng)發(fā)生翹曲變形部分沖片進(jìn)行整形、恢復(fù)其平面度，并適度加大鐵心壓緊力，以增強(qiáng)鐵心整體性，可以顯著提高發(fā)電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。

PQ 水電站2F 發(fā)電機(jī)定子鐵心沖片系采用50W290 冷軋硅鋼片制作的，經(jīng)多年運(yùn)行老化的只是硅鋼片絕緣涂層，而硅鋼片本身電磁性能仍能夠滿足發(fā)電機(jī)長期運(yùn)行要求。因此定子鐵心沖片絕緣涂層更新后，這些定子鐵心沖片仍然可以繼續(xù)使用。成本測算表明，只進(jìn)行絕緣涂層更新的鐵心沖片單位重量再制造成本，約為采購?fù)铺柟桎撈牧现匦轮谱麒F心沖片單位重量成本的1/3。而采用定子鐵心沖片絕緣涂層更新改造方案，只需要更換少量局部有破損的沖片，可以采用激光切割制作補(bǔ)片，不需要重新制作模具，所需要的改造工期比較短。

若選擇全部更換發(fā)電機(jī)定子鐵心沖片改造方案，就需要重新訂貨購買新的硅鋼片材料，并專門制作沖壓模具，制作改造成本相對較高，需要的直線工期也比較長（僅作模具和完成沖壓工序就需要60～80 d），這對于枯水期來臨時(shí)停機(jī)檢查才發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)鐵心需要改造的水電站運(yùn)行單位而言，要在4個(gè)月枯水期內(nèi)完成整臺機(jī)組技術(shù)改造任務(wù)，往往是勉為其難的[6]。

3.3 優(yōu)化定子鐵心徑向通風(fēng)系統(tǒng)

3.3.1 降低徑向通風(fēng)通道的高度

發(fā)電機(jī)鐵心通風(fēng)散熱的主要方式是對流散熱，利用轉(zhuǎn)子磁軛間隙和磁極旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的風(fēng)扇作用，將冷卻介質(zhì)吹拂到定子鐵心中的過氣流表面，從而將鐵心的熱量帶走。根據(jù)《大型電機(jī)的發(fā)熱與冷卻》一書中的發(fā)電機(jī)徑向通風(fēng)系統(tǒng)定子鐵心散熱量計(jì)算公式[3]：

Q為發(fā)電機(jī)定子鐵心的通風(fēng)散熱量（單位是W）；

S為散熱的面積（單位是cm2）；

ɑ為發(fā)熱表面在空氣中的散熱系數(shù)，主要和吹拂表面的空氣速度有關(guān)，對于發(fā)電機(jī)定子鐵心表面，ɑ取0.001 5；

θ物理意義為溫差1℃時(shí)單位面積、單位時(shí)間所能夠散發(fā)的熱量（單位是W/cm2）。

從式（1）中不難看出，在發(fā)電機(jī)風(fēng)速條件大體確定的條件下，單位時(shí)間內(nèi)，冷卻空氣從定子鐵心散熱表面帶走的熱量與冷卻空氣通過路徑的散熱面積S成正比。

對公式（1）分析可以看出，發(fā)電機(jī)定子鐵心徑向通風(fēng)通道的通風(fēng)流量，取決于通過鐵心的進(jìn)風(fēng)口總截面積和風(fēng)速，要降低電機(jī)繞組和鐵心的溫升，主要靠兩個(gè)途徑：①加大電機(jī)冷卻流道中空氣的流速，讓大量的冷空氣迅速地流過鐵心及繞組的表面（在發(fā)電機(jī)改造中，如果發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，轉(zhuǎn)子磁軛的過風(fēng)間隙不變，流過定子鐵心和繞組的風(fēng)量就不會有大的差異）；②盡可能加大定子鐵心過風(fēng)表面散熱面的面積。即降低鐵心分段高度，可以在不增加鐵心高度的前提下增加通風(fēng)槽板數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)加大定子鐵心過風(fēng)表面散熱面的面積、提高冷卻效果的目的。

鐵心徑向冷卻通道的高度取決于通風(fēng)槽鋼的高度。PQ 水電站發(fā)電機(jī)沿用的定子鐵心徑向通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是國內(nèi)發(fā)電設(shè)備專業(yè)廠家在當(dāng)時(shí)技術(shù)條件下的常規(guī)的設(shè)計(jì)。比如當(dāng)時(shí)發(fā)電機(jī)行業(yè)制造單位使用的是哈爾濱大電機(jī)研究所編制的1990 版的《水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)手冊》中推薦的1 號通風(fēng)槽鋼（高8 mm 寬4 mm），設(shè)計(jì)者選擇的發(fā)電機(jī)定子鐵心分段高度為39～40 mm。

在2000 年以前，國內(nèi)外發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)制造行業(yè)就已經(jīng)注意到，決定發(fā)電機(jī)定子鐵心和繞組的運(yùn)行可靠性的不僅僅是溫度的高低，還有鐵心和線圈的軸向溫差大小，因?yàn)橛袦夭罹蜁袩釕?yīng)力，有熱應(yīng)力就會導(dǎo)致熱變形，而鐵心和線圈的不均勻熱變形易于損壞沖片和線圈的絕緣。因此，在《水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)手冊》中有“為了使定子鐵心溫度沿軸向均勻分布，大容量水輪發(fā)電機(jī)的定子鐵心有采用薄鐵心段、短通風(fēng)溝（6 mm）的趨勢”這樣的提示[1]。

過去20 多年來，中外發(fā)電設(shè)備制造業(yè)針對巨型發(fā)電機(jī)所作的模擬真機(jī)定子鐵心和線圈試驗(yàn)知道，發(fā)電機(jī)徑向冷卻通道中，帶走鐵心熱量的、主要是流過鐵心和通風(fēng)槽板側(cè)厚度為2 mm 的氣流，在發(fā)電機(jī)這種冷卻風(fēng)速下增加徑向通風(fēng)通道的高度對定子鐵心的冷卻效果并不明顯，所以定子鐵心徑向通風(fēng)冷卻通道的最合理高度是4～5 mm。而為了減小定子鐵心內(nèi)部的溫差，推薦的定子鐵心分段的最優(yōu)高度由原來的50～70 mm，改為30～40 mm[2]。

有鑒于此，近20 多年來投產(chǎn)的國內(nèi)外大型水電機(jī)組的通風(fēng)槽鋼多選擇高5 mm 寬4 mm 和高6 mm 寬4 mm 兩種；定子鐵心分段厚度一般為35～40 mm。這樣改進(jìn)后，同樣高度截面上的定子鐵心中可以布置更多通風(fēng)通道，有更大的被通風(fēng)氣流冷卻的鐵心表面積，在對冷卻效果更好的同時(shí)，高度截面上的鐵心的溫度差減小，定子鐵心和線圈繞組的變形更小，鐵心更不易翹曲，在通風(fēng)槽鋼寬度不變的條件下，降低通風(fēng)槽鋼的高度，還提高了通風(fēng)槽鋼在鐵心壓緊力增大條件下的穩(wěn)定性；在定子鐵心磁路上增加了3 段（總高度約120 mm）與原鐵心相同的高導(dǎo)磁率材料鐵心，可以顯著地降低發(fā)電機(jī)鐵心的磁負(fù)荷密度，提高發(fā)電機(jī)的過載能力、降低鐵心的溫升。

綜上所述，降低鐵心徑向通風(fēng)系統(tǒng)冷卻通道的高度，對于減小定子鐵心溫度差（同時(shí)也減小在鐵心槽內(nèi)的定子線圈溫度差）是行之有據(jù)，并經(jīng)得起實(shí)踐驗(yàn)證的當(dāng)代發(fā)電機(jī)性能優(yōu)化方面的技術(shù)進(jìn)步。

3.3.2 選用奧氏體材料制作通風(fēng)槽鋼

對于大中型水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心，鐵心磁負(fù)荷比較高，因而在通風(fēng)槽鋼中存在相當(dāng)大的漏磁通，在鐵心齒部的通風(fēng)槽鋼對磁通形成相當(dāng)大的分支路，如果用導(dǎo)磁的碳鋼制作通風(fēng)槽鋼，則會在交變的定子磁場中因磁滯消耗能量而發(fā)熱；如果利用奧氏體不銹鋼材料不導(dǎo)磁的特性（如1Cr18Ni9Ti 不銹鋼或高錳鋼40Mn18Cr4V）制造通風(fēng)槽鋼，消除在通風(fēng)槽鋼中因磁滯而導(dǎo)致的發(fā)熱損耗，對減小發(fā)電機(jī)損耗有利[6]。

由于PQ 水電站發(fā)電機(jī)定子鐵心中通風(fēng)槽板的通風(fēng)槽鋼是碳鋼材料制造的，在漏通密度較高的齒部前端通風(fēng)槽板上出現(xiàn)了與通風(fēng)槽鋼發(fā)熱相關(guān)的明顯變形，采用不導(dǎo)磁的1Cr18Ni9Ti 奧氏體不銹鋼作為通風(fēng)槽鋼材料可以降低通風(fēng)槽鋼在磁場中的發(fā)熱量，從而減小通風(fēng)槽板在熱應(yīng)力下的變形。

3.3.3 選用更高強(qiáng)度材料制作鐵心拉緊螺桿

必要的預(yù)緊力是壓緊定子鐵心的前題。對于采用水溶性絕緣涂層的鐵心沖片，由于涂層中添加的固體成分含量大幅度增加，涂層抗壓能力增強(qiáng)，允許相應(yīng)提高鐵心的壓緊力。PQ 水電站發(fā)電機(jī)定子鐵心拉緊螺桿直徑為42 mm，原材質(zhì)為15CrMo 冷拉圓鋼，在冷拉狀態(tài)作為定子鐵心拉緊螺桿使用強(qiáng)度明顯偏低，而在淬火加回火調(diào)質(zhì)狀態(tài)下使用的低合金結(jié)構(gòu)鋼35CrMo、42CrMo 拉緊螺桿的性能等級可達(dá)8.9～9.9 級，是用于制作定子鐵心拉緊螺桿比較合適的材料。

表2 拉緊螺桿用低合金結(jié)構(gòu)鋼機(jī)械性能

如果取0.7σs作為鐵心拉緊螺桿的許用應(yīng)力，用15CrMo 冷拉圓鋼材料制作的M42 拉緊螺桿的承載能力為26 670 MPa，而采用調(diào)質(zhì)狀態(tài)的35CrMo圓鋼材料制作的M42 拉緊螺桿的承載能力為712 821 MPa。顯然，采用性能等級8.9 級至9.9 級的鐵心拉緊螺桿，可以大幅度地提高鐵心壓緊力。

4 定子鐵心技術(shù)改造方案的實(shí)施

4.1 定子鐵心沖片絕緣涂層更新

4.1.1 鐵心沖片拆除

保證拆除鐵心沖片的完好率，把可能多地原有沖片進(jìn)行絕緣涂層更新，利用改刀和鋒鋼刀片等工具，按順序逐層拆除定子沖片，并將拆除的沖片分類放在專門托盤上疊裝固定，對其進(jìn)行打包再裝車運(yùn)輸；沖片運(yùn)輸過程中，對鐵心沖片包裝箱采取嚴(yán)格的固定和軟性材料間隔等防護(hù)處理，是防止沖片在運(yùn)輸過程中損壞的必要措施。

4.1.2 鐵心沖片選片

（1）鑒于處于鐵心分瓣（半）面兩側(cè)的鐵心沖片已經(jīng)出現(xiàn)局部磨損和燒損，故全部予以報(bào)廢處理（約占鐵心沖片總數(shù)的12%～15%）。

（2）注意到部分階梯片有缺損和松動(dòng)，拆開鐵心上下端部的階梯片時(shí)，單片的階梯片沖片會產(chǎn)生比較大的變形（沖片之間均涂了環(huán)氧粘接劑），故將屬于階梯片的沖片全部棄用。

（3）采用人工逐片挑選出可以用于涂層更新的鐵心沖片（基本片），將表面有缺損、裂紋和嚴(yán)重凹凸變形的沖片檢出棄用。

4.1.3 定子鐵心沖片實(shí)施絕緣涂層更新

（1）采用專用的清洗和烘干設(shè)備將選出的定子沖片進(jìn)行去油污、污漬清洗和烘干處理；

（2）再次對清洗后的沖片進(jìn)行表面檢測，并采用專用工具對出現(xiàn)局部可見變形的沖片進(jìn)行平整；

（3）在去除沖片絕緣涂層的專用設(shè)備上對鐵心沖片進(jìn)行雙面打磨去絕緣涂層處理；

（4）在專用設(shè)備上對鐵心沖片進(jìn)行去粉塵、清洗和烘干處理，處理后的沖片表面應(yīng)當(dāng)清潔平整、沖片線圈槽內(nèi)斷面無殘留絕緣涂層粉末、沖片表面粗糙度適度（有利于提高絕緣涂層附著力）和沖片邊緣的去毛刺檢查，預(yù)處理后的鐵心沖片達(dá)到鐵心沖片涂漆前的標(biāo)準(zhǔn)；

（5）在水溶性涂層自動(dòng)烤漆線上，對沖片涂敷兩遍水溶性絕緣漆涂層（兩面涂層漆膜總厚度為20～30 μm）、沖片波浪度、涂層附著力和涂層絕緣電阻等技術(shù)指標(biāo)均按照常規(guī)制作新沖片質(zhì)量指標(biāo)考核。

4.2 通風(fēng)槽片的制造

通風(fēng)槽片的高度決定了定子鐵心徑向通風(fēng)流道的高度。為了降低鐵心和繞組溫度差，采用5 mm×4 mm 的1Cr18Ni9Ti 奧氏體不銹鋼通風(fēng)槽鋼代替原設(shè)計(jì)8 mm×4 mm 的碳鋼通風(fēng)槽鋼后，每個(gè)鐵心分段間的徑向通風(fēng)通道減低了3 mm，原1 840 mm鐵心軸向高度中的48 段鐵心和47 層通風(fēng)槽片需改為51 段鐵心和50 層通風(fēng)槽片。

為了進(jìn)一步增加鐵心軸向高度中高導(dǎo)磁硅鋼片材料的占比，采用50W290 硅鋼片沖制通風(fēng)槽板底板，經(jīng)平整和去除其表面絕緣涂層工序后，用中頻點(diǎn)焊機(jī)將其與通風(fēng)槽鋼點(diǎn)焊成通風(fēng)槽片。

在通風(fēng)槽片上噴涂絕緣性能良好、并對奧氏體不銹鋼和冷軋硅鋼片均具有良好附著性能的專用油漆。

4.3 增補(bǔ)新沖片的制作

4.3.1 新增補(bǔ)制作鐵心沖片的數(shù)量主要取決于以下因素

（1）淘汰的定子鐵心分瓣（半）面兩邊已經(jīng)燒損的鐵心沖片數(shù)量（約占全部鐵心沖片總數(shù)的12%～13%）；

（2）替換階梯段粘結(jié)松動(dòng)的鐵心沖片數(shù)量；

（3）從普通沖片中挑出的少數(shù)有局部損壞的沖片數(shù)量；

（4）增加三段疊裝定子鐵心所需的鐵心沖片數(shù)量。

4.3.2 新增沖片沖壓制造工藝

采用與原鐵心沖片相同的材料50W290 冷軋硅鋼片制造新增定子鐵心沖片。

因原鐵心沖壓模具經(jīng)復(fù)磨后尚可利用（如無模具，可采用激光切割制作沖片補(bǔ)片），故采用原模具沖壓制作沖片；專用去毛刺機(jī)去除沖壓毛刺后，涂敷兩層0151 水性絕緣漆，漆膜厚度10～15 μm（雙面漆膜總厚度按20～30 μm 控制）。

質(zhì)量控制：首片合格后，沖制疊檢所需數(shù)量沖片，沖片疊檢合格后，沖壓每千片沖片用三維光學(xué)掃描儀抽查監(jiān)測沖壓片尺寸；進(jìn)入烤漆工序流程后，每千片抽查漆膜附著力和漆膜厚度，并用硅鋼片專用漆膜絕緣測試儀抽查絕緣電阻情況；如果選擇激光切割的鐵心沖片，也須用三維光學(xué)掃描儀抽查沖片尺寸，首批沖片在高精度平臺上進(jìn)行疊檢。

4.4 減小階梯片的步長

為降低鐵心端部階梯段的固有頻率，防止鐵心端部階梯片齒部再出現(xiàn)片間脫離和斷齒，將階梯片的步長由5 mm 降至4 mm。

選用德國DMI 公司出品的H-EPZ5009 粘接強(qiáng)度更高環(huán)氧型強(qiáng)力粘接劑，在常溫下涂敷施工，在不低于20℃室溫下加壓24 h固化后，在15℃～25℃溫度下，用測力計(jì)和吸盤對階梯片的齒部進(jìn)行雙面對拉的抗剝離抽樣檢查，在階梯片每個(gè)齒施加60 N～80 N 之間的力作用下，階梯片上的沖片不應(yīng)剝離。

4.5 定子鐵心拉緊螺桿、螺母和蝶形彈簧的優(yōu)化

由于采用水溶性絕緣涂層的鐵心沖片的抗壓能力增強(qiáng)，故將鐵心壓緊力提高到1.5～1.8 MPa，從而通過提高鐵心的壓緊力來增強(qiáng)定子鐵心的整體剛度。

采用80 根調(diào)質(zhì)狀態(tài)的35CrMo 圓鋼材料制作的M42 鐵心拉緊螺桿（性能等級相當(dāng)于8.9 級，承載能力為712 820 MPa），替代原來的78 根15CrMo冷拉圓鋼材料制作的M42 拉緊螺桿（性能等級相當(dāng)于5.6 級，承載能力為26 670 MPa）。

拉緊螺桿制作工藝：采用經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的35CrMo圓鋼（Φ45 圓鋼）制造，在專門加工細(xì)長高精度螺桿的數(shù)控?zé)o心車床上加工螺桿外圓后，通過自動(dòng)滾光矯直機(jī)對螺桿外圓壓光的同時(shí)校直螺桿；為提高螺栓螺紋部分的光潔度和疲勞強(qiáng)度，用滾壓成型技術(shù)加工滾壓出螺桿的螺紋部分。

選用性能等級為8 級螺母和定子鐵心拉緊螺桿配合使用，預(yù)緊力矩為275 kg·m。

為了使防松蝶形彈簧的抗壓能力滿足提高鐵心壓緊力的要求，選用90×46×3.5（GR2，DIN 2093-B90）厚型蝶形彈簧替換原來的蝶形彈簧。

5 發(fā)電機(jī)定子鐵心工地疊裝和鐵損試驗(yàn)

5.1 定位筋的檢查和調(diào)整

定位筋的形位公差直接影響到定子鐵心疊裝質(zhì)量。用中心柱、內(nèi)徑千分尺等檢查定位筋半徑、弦距、垂直度，并測量各定位筋的相對半徑偏差。根據(jù)測量定位筋的數(shù)據(jù)，選擇最佳基準(zhǔn)筋，調(diào)整托板與定位筋間隙使其相鄰定位筋同一高度上偏差不大于±0.10 mm，弦距偏差不大于0.25 mm。對變形較大的定位筋可將定位筋進(jìn)行局部打磨處理調(diào)整以保證定位筋的半徑、弦距、筋面扭斜等符合要求。

5.2 定子鐵心工地整體疊片

取消鐵心分瓣（半）面，整體疊裝定子鐵心。從最下端開始順時(shí)針順序疊入階梯片，段與段鐵心之間疊入通風(fēng)槽板。

穿入拉緊螺桿、裝上蝶形彈簧和螺母，用275 kg·m 力矩均勻緊固鐵心拉緊螺桿螺母,壓緊全部定子鐵心后，測量鐵心內(nèi)徑、圓度、高度、波浪度及槽形，檢測拉緊螺桿緊固力矩、蝶形彈簧壓縮量數(shù)據(jù)符合要求。鐵心總高度1 840 mm，圓周波浪度不大于5 mm，鐵心齒部彈開度不大于3 mm，鐵心內(nèi)圓直徑Ф4 220（-1.2～+1.2），鐵心疊壓系數(shù)不小于0.95。

5.3 定子鐵心鐵損試驗(yàn)

加熱和熱壓定子鐵心時(shí)，用紅外測溫儀監(jiān)視鐵心溫度升高情況，保持鐵心溫度在60℃～70℃，12 h保溫結(jié)束后，緩慢將溫度降至40℃左右后，拆除保溫布，趁熱壓緊定子鐵心。檢查上下螺母緊固力矩或蝶形彈簧軸向壓縮量，復(fù)測定子鐵心高度、圓度、波浪度、鐵心壓緊力等符合要求[7]。

定子疊片完成后，按有關(guān)定子鐵損試驗(yàn)工藝導(dǎo)則進(jìn)行定子鐵損試驗(yàn)。PQ 水電站2F 發(fā)電機(jī)鐵心沖片絕緣涂層更新后鐵損試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)和鐵損試驗(yàn)結(jié)果見表3 和表4。

表3 鐵損試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 鐵損試驗(yàn)結(jié)果

采用整體疊裝定子鐵心、優(yōu)化鐵心徑向通風(fēng)通道、鐵心沖片絕緣涂層更新、提高鐵心單位壓緊力等措施后的定子鐵心鐵損試驗(yàn)表明，鐵心單位鐵損、溫升、溫差、振動(dòng)等各項(xiàng)指標(biāo)全部滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，未發(fā)現(xiàn)局部過熱點(diǎn)。

定子鐵心、鐵損試驗(yàn)結(jié)束后，再次檢查拉緊螺桿螺母是否有松動(dòng)，并對定子鐵心拉緊螺桿螺母再均勻緊固一次。

6 定子鐵心改造后機(jī)組試運(yùn)行情況

機(jī)組運(yùn)行時(shí)定子鐵心及線圈詳細(xì)溫度、振擺對比情況見表5 和表6。

表5 機(jī)組定子鐵心改造前后振擺對比 單位：μm

表6 機(jī)組鐵心技術(shù)改造前后滿負(fù)荷（76 MW）定子線圈鐵心溫度對比表 單位：℃

機(jī)組鐵心技術(shù)改造前后滿負(fù)荷（76 MW）定子線圈鐵心溫度對比情況見表6。

對比改造前和改造后機(jī)組各振擺和溫升測量數(shù)據(jù)可見，實(shí)施了定子鐵心沖片絕緣涂層更新、改分瓣疊裝定子鐵心為整體疊裝定子鐵心、提高鐵心壓緊力、降低徑向通風(fēng)溝高度、增加鐵心分段和鐵心軸向斷面高導(dǎo)磁鐵心沖片總高度等改造措施之后，定子鐵心、線圈各部位溫度和溫差均有顯著地降低，發(fā)電機(jī)的16 倍頻垂直振動(dòng)、異常的電磁噪音和合縫處振動(dòng)等運(yùn)行隱患均得以消除；發(fā)電機(jī)的出力裕度明顯增加。與改造之前相比，機(jī)組運(yùn)行更加穩(wěn)定，更適應(yīng)環(huán)境保護(hù)的要求。

7 結(jié)語

（1）對已經(jīng)運(yùn)行多年、發(fā)電機(jī)部分核心部件技術(shù)性能已經(jīng)老化的水輪發(fā)電機(jī)組實(shí)施技術(shù)改造，是一項(xiàng)對貫徹國家“循環(huán)經(jīng)濟(jì)”大政方針具有重要戰(zhàn)略意義的系統(tǒng)工程。在制定發(fā)電機(jī)技術(shù)改造方案時(shí)，除了采用當(dāng)代水輪發(fā)電機(jī)最新的技術(shù)進(jìn)步成果以外，還應(yīng)當(dāng)對部分機(jī)組核心部件實(shí)施再制造，讓機(jī)組核心零部件本身技術(shù)特性中還有使用價(jià)值的部分繼續(xù)發(fā)揮作用，從而顯著延長發(fā)電設(shè)備服役的生命周期。

近10 年來，德陽遠(yuǎn)東機(jī)電有限責(zé)任公司經(jīng)過參與PQ 和SBX 等水電站等多臺大中小型水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心實(shí)施技術(shù)改造的工程實(shí)踐中認(rèn)識到：以鐵心沖片絕緣涂層更新為發(fā)電設(shè)備核心零部件再制造為主要內(nèi)容，同時(shí)一并實(shí)施具有再制造性質(zhì)的分瓣定子鐵心整體化和鐵心徑向通風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)化的發(fā)電機(jī)綜合技術(shù)改造方案，具有技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理、對環(huán)境更為友好等諸多優(yōu)點(diǎn)，這對于其他水電站運(yùn)行管理單位改善水輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行性能，取得了普遍適用并值得借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

（2）水溶性硅鋼片絕緣涂層具有絕緣和耐熱等級高、抗壓、抗蠕變強(qiáng)度好、疊壓和導(dǎo)熱系數(shù)較大，并符合潔凈生產(chǎn)要求等諸多優(yōu)點(diǎn)，近十幾年來，采用耐熱等級為H 級的水溶性硅鋼片絕緣漆作為定子鐵心沖片絕緣涂層材料，已為世界各國電力工業(yè)和發(fā)電機(jī)制造行業(yè)所一致推薦。

但目前運(yùn)行中的發(fā)電機(jī)（尤其是2010 年前投運(yùn)的發(fā)電機(jī)），其中大多數(shù)定子鐵心沖片絕緣涂層還是用有機(jī)絕緣漆涂覆的，由于有機(jī)和半有機(jī)硅鋼片絕緣漆固有的固體絕緣材料含量低、絕緣涂層中對環(huán)境有害的有機(jī)成分在機(jī)組運(yùn)行期間揮發(fā)到發(fā)電廠房后，發(fā)電機(jī)鐵心沖片的絕緣性能逐步劣化和當(dāng)下全社會推行更嚴(yán)格環(huán)境保護(hù)規(guī)定，在實(shí)施發(fā)電機(jī)定子鐵心技術(shù)改造時(shí)，去除發(fā)電機(jī)定子鐵心沖片的原有機(jī)絕緣涂層，采用水溶性硅鋼片絕緣漆作為定子鐵心硅鋼片的新絕緣涂層，用不高的代價(jià)讓這些老機(jī)組核心零部件達(dá)到甚至優(yōu)于原來技術(shù)性能，這對于提高發(fā)電機(jī)運(yùn)行可靠性、改善發(fā)電廠房的空氣環(huán)境，可以收到事半功倍的成效。

水溶性絕緣漆比有機(jī)絕緣漆和半有機(jī)絕緣漆的優(yōu)勢是全方位的，全面使用水溶性絕緣漆的時(shí)代已經(jīng)來臨。時(shí)至今日，不管是新制造發(fā)電機(jī)定子鐵心、還是對已經(jīng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)定子鐵心實(shí)施技術(shù)改造，都應(yīng)當(dāng)首選使用水溶性絕緣漆。

圖1 經(jīng)過絕緣涂層更新后的SBX 水電站發(fā)電機(jī)定子鐵心沖片

圖2 經(jīng)過絕緣涂層更新后的PQ 水電站發(fā)電機(jī)定子鐵心沖片

（3）定子鐵心是水輪發(fā)電機(jī)的核心部件，其重量大約占發(fā)電機(jī)總重量的1/4～1/3。根據(jù)SBX 水電站測算：在1 號發(fā)電機(jī)定子上，采用水溶性絕緣涂層對全部原鐵心沖片絕緣涂層進(jìn)行更新，比全部采用重新制造的鐵心沖片進(jìn)行發(fā)電機(jī)定子鐵心技術(shù)改造,每臺發(fā)電機(jī)定子鐵心改造可節(jié)省檢修費(fèi)用680 萬元，經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理性表明，在發(fā)電機(jī)技術(shù)改造領(lǐng)域，定子鐵心絕緣涂層更新技術(shù)具有重要的推廣價(jià)值。