胡祥甫 胡金秀

(東方電氣集團 東風電機有限公司，四川 樂山614000)

1 電站簡介

西藏旁多水利樞紐工程（簡稱旁多電站）是目前亞洲海拔最高的已運行機組。壩址地處拉薩河中游，位于西藏自治區(qū)林周縣旁多鄉(xiāng)下游，距拉薩市直線距離63km，是拉薩河流域的骨干性控制工程，也是拉薩河干流水電梯級開發(fā)的龍頭水庫。該電站以灌溉、發(fā)電為主，兼顧防洪及供水。

2 發(fā)電機主要參數(shù)

發(fā)電機機型 SF40-32/6800

額定容量 47.06 MVA

額定功率 40 MW

額定電壓 10.5 kV

額定電流 2587.6 A

額定頻率 50 Hz

額定功率因數(shù) 0.85（滯后）

額定轉速 187.5 r/min

飛逸轉速 348 r/min

旋轉方向 俯視順時針

轉動慣量 4200 t.m2

推力軸承負荷470 t

勵磁方式 靜止可控硅勵磁

冷卻方式 密閉自循環(huán)空氣冷卻

定子繞組絕緣等級F級

轉子繞組絕緣等級F級

3 發(fā)電機結構設計

旁多電站發(fā)電機為半傘式結構，設有上導、推力及下導軸承如圖1所示。

圖1 半傘式結構

3.1 定子

定子主要由機座、定子鐵芯、定子繞組、銅環(huán)引線及端箍等組成。

定子機座由優(yōu)質(zhì)鋼板焊接而成，主要作用是固定鐵芯。設計過程中，強度是關鍵，因此本文對其進行了有限元分析，如圖2所示。

定子鐵芯由導磁性能好，損耗較小的硅鋼片交錯疊制而成，為了減小渦流損耗，在扇形片的兩面涂以絕緣漆（F級）。在軸向方向把鐵芯分成多段，段間用通風槽板隔開，以形成通風溝。鐵芯兩端設有齒壓片和壓板，通過穿心螺桿及碟形彈簧將鐵芯拉緊；穿心螺桿及蝶形彈簧結構可有效防止鐵芯松動，始終給予定子鐵芯恒定的壓力。每根螺桿上裝有固定片，并焊于機座筋板上，使定子機座和鐵芯成一整體。鐵芯的固定采用雙浮動式鴿尾結構，以適應鐵芯熱膨脹。

定子繞組為雙層條式波繞組，繞組絕緣可靠，機械強度、散熱條件好。采用360度完全換位，可有效降低定子繞組溫升，確保機組長期安全穩(wěn)定運行。

圖2 定子機座有限元分析應力分布圖

3.2 轉子

轉子主要由磁極、磁軛、轉子支架、主軸等組成。

磁極主要由磁極鐵芯、磁極線圈及阻尼繞組組成。磁極鐵芯由優(yōu)質(zhì)鋼板沖制的沖片疊壓而成。疊壓后，兩端用磁極壓板通過拉緊螺桿將鐵芯固定成一整體。磁極線圈由異形銅排繞成，每匝匝間墊耐高溫環(huán)氧玻璃坯布作為匝間絕緣。阻尼繞組由阻尼條與阻尼環(huán)組成。磁軛由優(yōu)質(zhì)鋼板沖制的沖片疊壓而成。磁軛全長分為多段，中間有多條環(huán)形通風道，用拉緊螺桿把緊成整體，然后用磁軛斜鍵通過熱打將磁軛緊固在轉子支架上。

轉子支架采用圓盤式組焊結構。支架在工地熱套在主軸上，它是支撐磁極、磁軛重量，傳遞力矩的主要部件。

3.3 上機架

上機架為輻射型組焊結構。在電站現(xiàn)場將上機架中心體與各支臂焊為一體。支臂底板處設有墊板，在現(xiàn)場調(diào)整好上機架高程、水平后將墊板焊在機座頂環(huán)上。上導軸承位于上機架中心體內(nèi)，上導軸承瓦為分瓣剛性支承結構，共8塊導瓦，上導軸承瓦座背面墊有絕緣板，以防止軸電流產(chǎn)生從而燒壞軸瓦。上導瓦油膜間隙均可通過調(diào)整支柱螺釘與導軸瓦之間的墊片獲得。

3.4 下機架（含推力軸承）

下機架為負荷機架，主要承受水輪機的水推力和整個機組轉動部分的全部重量及機架自重等。下機架主要由下機架中心體及支臂等組成。下機架的中心體內(nèi)裝有推力軸承、下導軸承和油冷卻器等。推力軸承采用自循環(huán)油浸式、彈簧束支撐的分塊扇形瓦結構。推力瓦為EMP推力軸瓦，共10塊，油槽內(nèi)的油被浸在其中的冷卻器冷卻。下導軸承位于推力軸承上方，下導軸瓦為分瓣剛性支撐結構，共16塊瓦。

4 關鍵技術及創(chuàng)新點

西藏旁多電站地處4100米的高海拔、高寒地區(qū)。高海拔地區(qū)氣候環(huán)境條件相當惡劣，晝夜溫差極大、氣溫低、空氣稀薄，從而對發(fā)電機的結構型式、材料選擇、通風冷卻方式、絕緣防暈及電氣性能等提出挑戰(zhàn)。現(xiàn)將發(fā)電機設計過程中所開發(fā)應用的新技術簡述如下：

4.1 （高海拔地區(qū)）水輪發(fā)電機定子線棒少膠VPI技術

目前，歐洲、日本等國外制造企業(yè)通常采用少膠VPI制作定子線棒或采取整機浸漬方式；而我國中小型機組以多膠模壓方式為主，大型機組雖采用VPI制造技術，但均應用于較低海拔地區(qū)。國內(nèi)外，適用于高海拔地區(qū)的水輪發(fā)電機定子線棒VPI技術有待研發(fā)應用。研究表明，在海拔高度4100m時，定子線棒絕緣、防暈能力較低海拔地區(qū)下降約30%，若仍采用傳統(tǒng)的多膠模壓工藝，定子線棒的絕緣、防暈等多項電氣參數(shù)均不能滿足機組安全運行。針對上述情況，通過多個電磁方案計算分析，選擇合適的線規(guī)、槽型尺寸，并結合車間各階段試驗數(shù)據(jù)，開發(fā)出了針對旁多電站定子線棒的專用少膠VPI技術。

4.2 推力軸承彈簧束支撐結構

推力軸承主要承受水推力及整個機組轉動部分的重量。其工作性能的好壞直接影響機組能否長期安全穩(wěn)定運行。因此，推力軸承支撐方式的選擇尤為重要，針對旁多電站的特殊性，成功開發(fā)出了行業(yè)內(nèi)僅少數(shù)廠家掌握的彈簧束支撐結構。

彈簧束支撐結構的特點是多支點支撐。將推力瓦放置在一簇具有一定剛度，高度又相等的支撐彈簧束上。支撐彈簧束除承受推力負荷外，還具有均衡各塊瓦間的負荷和吸收振動的作用。彈簧束支撐結構具有較大的承載能力，較低的軸瓦溫度和運行穩(wěn)定等優(yōu)點。該結構屬于浮動式支撐，其合力作用點可隨負荷、線速度的不同而有所不同。因而，此種支撐結構可適應的工況范圍極廣。

圖3 彈簧束支撐車間預裝配

4.3 （掌握了）高海拔低氣壓對發(fā)電機通風冷卻系統(tǒng)的影響

研究證明，海拔高度的上升將導致冷卻空氣密度下降，具體如下：

a）發(fā)電機冷卻空氣密度下降，若機內(nèi)空氣流量保持不變，則發(fā)電機的通風損耗比例會相應下降，意味著發(fā)電機總發(fā)熱量的減少和需求風量的降低。

b）冷卻空氣密度下降后，氣（換熱空氣）-固（鐵芯、線圈）兩相間的對流換熱強度隨之減弱，表面散熱系數(shù)降低，氣-固兩相間溫差上升；同時，發(fā)電機冷卻空氣密度下降會降低其體積比熱，若保持冷卻空氣的流量不變，則冷卻空氣的溫升相應增加，故發(fā)電機冷卻空氣密度下降后，發(fā)電機內(nèi)主要發(fā)熱部件溫升相應提高。

c）發(fā)電機海拔高度增加后，其主要發(fā)熱部件的溫升均會提高。在發(fā)電機內(nèi)各部位散熱面積和熱負荷保持不變的情況下，其通風系統(tǒng)的設計必須考慮適當增加機內(nèi)空氣流量，通過適當增加空氣流量來降低冷卻空氣的溫升從而弱化高海拔對發(fā)電機內(nèi)各部件溫度的提升作用。

旁多電站水輪發(fā)電機通風系統(tǒng)基于此設計，通過1#機并網(wǎng)運行證明，通風冷卻系統(tǒng)設計是成功的，達到預期效果。

5 結論

旁多電站1#水輪發(fā)電機組于2013年10月成功投運，運行工況良好，機組振動、噪音、溫升等各項性能指標均顯著優(yōu)于國家標準。它的成功并網(wǎng)發(fā)電證明發(fā)電機所采用的一系列結構、新技術、新材料是相當成功的，具有極大的推廣使用價值。

［1］白延年，主編.水輪發(fā)電機設計與計算[M].北京：機械工業(yè)出版社，1982.

［2］陳錫芳，主編.水輪發(fā)電機結構運行監(jiān)測與維修[M].北京：中國水利水電出版社，2008.