（瀏陽(yáng)市株樹橋水庫(kù)管理局長(zhǎng)沙市410300）

株樹橋3號(hào)發(fā)電機(jī)改造技術(shù)研究與應(yīng)用

張玨

（瀏陽(yáng)市株樹橋水庫(kù)管理局長(zhǎng)沙市410300）

通過(guò)從“電磁”和“機(jī)械結(jié)構(gòu)”兩方面入手進(jìn)行方案計(jì)算和總體結(jié)構(gòu)布置，結(jié)合先進(jìn)的通風(fēng)計(jì)算程序、CAE有限元分析技術(shù)、廠內(nèi)彈性試驗(yàn)進(jìn)行可行性論證，對(duì)株樹橋水電站3號(hào)發(fā)電機(jī)改造技術(shù)進(jìn)行研究與應(yīng)用，徹底解決發(fā)電機(jī)存在的溫度偏高、振動(dòng)偏大等缺陷。改造后發(fā)電機(jī)整體性能穩(wěn)定，在額定水頭以上均能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期滿負(fù)荷發(fā)電運(yùn)行。該技術(shù)的研究與應(yīng)用對(duì)不改變機(jī)組土建結(jié)構(gòu)、消除發(fā)電機(jī)隱患、增加發(fā)電機(jī)效率等方面的電站發(fā)電機(jī)改造具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

發(fā)電機(jī)電磁通風(fēng)機(jī)械強(qiáng)度改造

1 改造背景

株樹橋水電站3號(hào)發(fā)電機(jī)電磁和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在較大安全隱患：線圈電流密度過(guò)高、布置的通風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生的風(fēng)量不夠、上機(jī)架剛度不夠，安裝時(shí)上機(jī)架下沉2mm左右。機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中定、轉(zhuǎn)子溫度偏高、上機(jī)架垂直振動(dòng)偏大、推力瓦溫度偏高等缺陷，多次出現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子線圈燒壞和并頭套炸裂現(xiàn)象，后期一直采用限6MW最高負(fù)荷的保護(hù)性運(yùn)行措施。為徹底解決發(fā)電機(jī)存在的溫度偏高、振動(dòng)偏大等缺陷，經(jīng)研究，從“電磁”和“機(jī)械結(jié)構(gòu)”兩方面入手重新進(jìn)行方案計(jì)算和總體結(jié)構(gòu)布置，并結(jié)合先進(jìn)的通風(fēng)計(jì)算程序、CAE有限元分析技術(shù)、廠內(nèi)彈性試驗(yàn)進(jìn)行可行性論證，對(duì)3號(hào)發(fā)電機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造。

2 基本參數(shù)

株樹橋水電站3號(hào)發(fā)電機(jī)（型號(hào)：SF-J8000-16/ 3300）基本參數(shù)：

絕緣等級(jí)：F/F；額定功率：8000kW；額定效率：96.5%；額定電壓：6300V；空載勵(lì)磁電流：185A；額定電流：916.4A；空載勵(lì)磁電壓：59.1V；額定轉(zhuǎn)速：375r/min；滿載勵(lì)磁電流：340A；額定頻率：50HZ；滿載勵(lì)磁電壓155.2V；功率因數(shù)：0.8（滯后）。

3 改造方案

（1）定子線圈。將定子繞組線圈由未進(jìn)行羅貝爾換位的條式波繞組變更為圈式疊繞組，調(diào)整繞組線規(guī)，技術(shù)改造后定子線圈電流密度為4.01A/mm2，改造前后平均電流密度降低了16.8%。

（2）磁極線圈。加大發(fā)電機(jī)磁極線圈線規(guī)寬度，調(diào)整線圈繞制匝數(shù)，增加過(guò)流截面積，技術(shù)改造后磁極線圈電流密度為3.05A/mm2，改造前后平均電流密度降低了16%。

（3）發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)。增加定子鐵芯段段數(shù)和通風(fēng)道道數(shù)，增加冷卻風(fēng)通過(guò)通風(fēng)道時(shí)與鐵芯表面接觸面積，在轉(zhuǎn)子磁軛上、下端各增設(shè)16個(gè)極間送風(fēng)能力強(qiáng)的槳葉式風(fēng)扇，保證發(fā)電機(jī)定子溫度控制在90℃以內(nèi)。

（4）上機(jī)架剛度。結(jié)合CAE有限元分析技術(shù)，對(duì)上機(jī)架進(jìn)行剛度加強(qiáng)改造。

（5）推力軸承支撐結(jié)構(gòu)。將原剛性可調(diào)支柱螺栓結(jié)構(gòu)（或稱承重螺栓結(jié)構(gòu)）變更為彈性托盤支撐結(jié)構(gòu)，結(jié)合EXCEL變形計(jì)算和CAE有限元分析技術(shù)驗(yàn)證變形量和應(yīng)力，在負(fù)荷不均勻時(shí)能夠自動(dòng)平衡各瓦負(fù)荷。

4 改造技術(shù)要點(diǎn)

4.1 電磁方案部分

為降低定轉(zhuǎn)子的溫升，計(jì)算電磁方案和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)做了以下幾項(xiàng)的改進(jìn)：

（1）原發(fā)電機(jī)定子繞組為22股2.0×4.5銅線，每槽線匝Sn=2，每相并聯(lián)路數(shù)a=1，計(jì)算電流密度為J1=4.82A/mm2，繞組為條式波繞組，但沒有進(jìn)行羅貝爾換位（此項(xiàng)引起的附加損耗超過(guò)基本銅損的10%，而且使繞組局部可產(chǎn)生過(guò)熱）。改造方案為8股2.8×5.3銅線，每槽線匝Sn=4，每相并聯(lián)路數(shù)a= 2，計(jì)算電流密度為J2=4.01A/mm2，繞組為圈式疊繞組，可見改造前后平均電流密度降低16.8%左右，而且定子線圈單匝導(dǎo)體高度比原發(fā)電機(jī)降低了51%，從而降低了由于導(dǎo)體在高度方向上處在不同磁場(chǎng)下帶來(lái)的附加銅耗。同時(shí)，圈式線圈由于結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，在線圈繞制過(guò)種中，其上、下層線匝自動(dòng)實(shí)現(xiàn)了換位。改造后的定子線負(fù)荷為463A/cm，熱負(fù)荷為1857.6A2/cm·mm2。通過(guò)改變繞組的結(jié)構(gòu)型式及調(diào)整線規(guī)達(dá)到了降低定子銅耗的目的。

（2）原發(fā)電機(jī)定子鐵芯外徑為3300mm，內(nèi)徑為2870mm，槽深寬為16.3mm×76mm，軛部計(jì)算磁密約為14500Gs，改造之后定子鐵芯外徑稍加大為3310mm，內(nèi)徑仍為2870mm，槽深寬調(diào)整為16.9mm×71mm，軛部計(jì)算磁密約為12713Gs，軛部磁密降低。定子槽寬雖由16.3mm加寬至16.9mm，使定子齒寬稍有減少，帶來(lái)定子齒部磁密會(huì)略有提高，齒部計(jì)算磁密約為14946Gs，仍屬很合適的取值，同時(shí)由于定子槽深由76mm減小至71mm，齒磁路長(zhǎng)度減小，綜合兩方面因素，定子鐵芯齒部的鐵損基本維持原水平。因?yàn)槎ㄗ予F芯的絕大部分重量集中在軛部，因此，軛部磁密降低后，就降低了由軛部帶來(lái)的鐵損，從而使整個(gè)發(fā)電機(jī)的定子鐵損得到了降低。

（3）原發(fā)電機(jī)定子鐵芯分段組合為11×50+2× 45+12×10=760mm，改造后的定子鐵芯分段組合為16×40+15×8=760mm，可以看出，鐵芯的有效總長(zhǎng)度、通風(fēng)道的總高度保持不變，只是通過(guò)降低每段鐵芯的高度來(lái)增加鐵芯段的段數(shù)和通風(fēng)道的道數(shù)，通風(fēng)道的道數(shù)從12增加到15，則冷卻風(fēng)通過(guò)通風(fēng)道時(shí)與鐵芯表面的接觸面積增加了25%，只有與鐵芯表面接觸的冷卻風(fēng)才能帶走鐵芯上的熱量，因此，雖然通風(fēng)道的總高度沒有改變，但定子鐵芯的通風(fēng)散熱面積卻得到了增加。通過(guò)降低鐵芯段高度、增加鐵芯段數(shù)量和通風(fēng)道，增加散熱面積，從而提高空氣冷卻效率。

（4）鐵芯兩端增加12×12的階梯段，從而降低了鐵芯端部漏磁在極靴表面產(chǎn)生的附加損耗。

（5）定子鐵芯扇形沖片材料采用性能指標(biāo)更高的50WW310高硅冷軋無(wú)取向硅鋼片（武鋼產(chǎn)）替換，原發(fā)電機(jī)采用的牌號(hào)為50WW350硅鋼片，通過(guò)優(yōu)質(zhì)材料的選用進(jìn)一步降低定子鐵芯損耗值約11%。

（6）原發(fā)電機(jī)磁極線圈線規(guī)為2.8×31.5，每個(gè)線圈的繞制匝數(shù)為57.5匝，計(jì)算電流密度為J2=3.63A/ mm2，改造后采用的磁極線圈線規(guī)為2.8×40，即銅線的厚度不變，但寬度加大了，使銅線的截面積加大，每個(gè)線圈的繞制匝數(shù)為54.5匝，計(jì)算電流密度為J2= 3.05A/mm2，改造前后平均電流密度降低約16%。

（7）定子線圈間的連接由釬錫焊改為銀銅焊，提高了線圈端部焊接質(zhì)量，基本可以杜絕原條式線圈錫焊接頭因焊接不良而出現(xiàn)局部過(guò)熱熔錫脫焊甚至并頭套炸裂現(xiàn)象的發(fā)生。

通過(guò)電磁方案的計(jì)算和調(diào)整，除發(fā)電機(jī)的定子銅耗、定子鐵耗、轉(zhuǎn)子銅耗明顯降低外，發(fā)電機(jī)的其它參數(shù)也都完全符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)計(jì)規(guī)范，比如：短路比f(wàn)ko=1.01、縱軸同步電抗Xd=1.091、縱軸瞬變電抗Xd′=0.1975、縱軸超瞬變電抗Xd″=0.1416、橫軸超瞬變電抗Xq″=0.1654。

4.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)部分

4.2.1 定子結(jié)構(gòu)改造

（1）考慮經(jīng)濟(jì)性，保留原定子機(jī)座，將機(jī)座定位筋內(nèi)圓和上環(huán)內(nèi)圓加工至3310mm，保證新設(shè)計(jì)的沖片分片數(shù)、槽數(shù)以及定位孔分布圓直徑與原發(fā)電機(jī)組一致，同時(shí)可保證沖片外圓與機(jī)座定位筋之間的準(zhǔn)確定位。

（2）定子線圈雙層條式波繞組改為雙層圈式疊繞組，支路數(shù)由1支路改為2支路，并重新設(shè)計(jì)定子繞組接線圖；定子測(cè)溫元件為單支，共12只，層間6只，槽底6只，增加新的定子測(cè)溫接線盒以及接線盒墊板；定子主、中性引出線用導(dǎo)電環(huán)和導(dǎo)電排引出，由于機(jī)座引出線附近有加強(qiáng)筋，為了避開加強(qiáng)筋和保證導(dǎo)電排對(duì)地距離，引出導(dǎo)電排間距加大到280mm。

（3）擴(kuò)大機(jī)座壁上的定子引出線孔；上、下環(huán)之間機(jī)座壁上割缺口，以便鐵芯疊好之后焊接固定板，鐵芯疊好之后再把新制作的壁焊于機(jī)座壁上；重新設(shè)計(jì)定子基礎(chǔ)板，把原發(fā)電機(jī)斜向銷定位結(jié)構(gòu)改成徑向銷定位結(jié)構(gòu)，方便安裝。

4.2.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)改造

（1）考慮經(jīng)濟(jì)性，保留原磁軛和主軸，磁極沖片重新制作，采用Q345B沖制而成，極身高度和寬度進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，磁極沖片拉緊螺桿孔數(shù)由6個(gè)改成4個(gè)；磁極線圈線規(guī)重新選取,降低線圈溫升。

（2）經(jīng)通風(fēng)計(jì)算程序核算，將轉(zhuǎn)子磁軛上、下端刮板式風(fēng)扇改造成32個(gè)極間送風(fēng)能力強(qiáng)的槳葉式風(fēng)扇,保證轉(zhuǎn)子極間風(fēng)量足夠。

（3）極間撐塊重新設(shè)計(jì)；更換新的電纜引線；重新補(bǔ)焊和配車加工集電環(huán)短軸上與主軸配合的內(nèi)孔，重新加工集電環(huán)外圓。

4.2.3 上機(jī)架結(jié)構(gòu)改造

（1）原發(fā)電機(jī)上機(jī)架剛度不夠，安裝時(shí)就下沉2mm左右，改造時(shí)在中環(huán)板和下環(huán)板之間焊接加強(qiáng)筋，提高了上機(jī)架剛度，CAE有限元分析結(jié)果表明，加固前后上機(jī)架剛度提高了23.5%左右，中環(huán)板和下環(huán)板之間的機(jī)架腿筋板應(yīng)力降低了40%。

（2）考慮到加固之后上機(jī)架變形，機(jī)架腿墊板和扇形墊板各增加2mm和3mm，機(jī)架腿墊板上的銷孔在電站安裝時(shí)重新鉆鉸。

（3）推力軸承改造成彈性支撐結(jié)構(gòu)，托盤和支撐采用彈簧鋼材料，具有在負(fù)荷不均勻時(shí)能夠自動(dòng)平衡各瓦負(fù)荷的顯著優(yōu)點(diǎn)，使發(fā)電機(jī)軸承運(yùn)行更加安全可靠。

（4）原發(fā)電機(jī)推力頭卡環(huán)與主軸間存在間隙，按現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量尺寸重新配做卡環(huán)，保證推力頭與主軸的同心度。

5 改造效果

株樹橋水電站3號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組改造后于2015年2月成功并網(wǎng)運(yùn)行，通過(guò)72h滿負(fù)荷試運(yùn)行試驗(yàn)，機(jī)組各項(xiàng)性能指標(biāo)見表1、表2中數(shù)據(jù)，性能指標(biāo)均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，能滿足機(jī)組安全運(yùn)行要求。

株樹橋水電站3號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)技術(shù)改造自投入運(yùn)行至2016年底，累計(jì)已安全運(yùn)行6323h，發(fā)電4768萬(wàn)kW·h，創(chuàng)發(fā)電產(chǎn)值1668萬(wàn)元，相比較未進(jìn)行技術(shù)改造前增加發(fā)電量1192萬(wàn)kW·h，增加發(fā)電產(chǎn)值417.2萬(wàn)元，增加稅收25萬(wàn)元。

表1 3號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)、擺度測(cè)量值mm

表2 3號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行溫度記錄表

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)株樹橋水電站3號(hào)發(fā)電機(jī)改造技術(shù)的研究與應(yīng)用，消除了原有溫度偏高，振動(dòng)偏大等安全隱患，改造后機(jī)組整體性能穩(wěn)定，在額定水頭以上均能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期滿負(fù)荷發(fā)電運(yùn)行。由于該發(fā)電機(jī)的改造是在不改變機(jī)組土建結(jié)構(gòu)前提下，進(jìn)行的技術(shù)改造，在水電站整體機(jī)組設(shè)計(jì)上還存在一定的局限性，但對(duì)于當(dāng)前機(jī)組增效擴(kuò)容改造具有一定的借鑒意義。

[1]GB/T50700-2011.小型水電站技術(shù)改造規(guī)范[S].

[2]裘迪林，文虎，羅宇航.株樹橋水電站水輪發(fā)電機(jī)上機(jī)架改造[J].小水電，2016，（04）：45-49.

2017-03-27）

張玨（1972-），男，大學(xué)本科，工程師，從事發(fā)電與輸配電工作。