邢 建 模

(國(guó)家電投集團(tuán)重慶獅子灘發(fā)電有限公司,重慶 長(zhǎng)壽 401220)

1 概 述

下硐水電站1#發(fā)電機(jī)組為哈爾濱電機(jī)廠于1957年生產(chǎn)的產(chǎn)品，發(fā)電機(jī)型號(hào)為：TS-550/79-28，機(jī)組容量為15 MW，其定子繞組絕緣結(jié)構(gòu)為瀝青云母絕緣。1994年，定子繞組更換為B級(jí)環(huán)氧云母黃絕緣。2002年2月，在機(jī)組同軸加裝了一臺(tái)1 500 kW副發(fā)電機(jī)，至此，該機(jī)組增容至16.5 MW。因主發(fā)電機(jī)經(jīng)多年運(yùn)行其鐵芯發(fā)熱嚴(yán)重、運(yùn)行溫度持續(xù)上升，給安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重威脅，必須對(duì)其進(jìn)行技術(shù)改造。

原發(fā)電機(jī)定子的基本參數(shù):

定子鐵芯外徑 /mm 5 500

定子鐵芯內(nèi)徑 /mm 4 930

定子鐵芯長(zhǎng)度 /mm 790

定子通風(fēng)溝高度 /mm 10

定子通風(fēng)溝數(shù)量 13

定子槽數(shù) 264

定子繞組相數(shù) 3

定子繞組并聯(lián)支路數(shù) 2

定子繞組型式 圈式疊繞組

每槽導(dǎo)體數(shù) 6

絕緣等級(jí) B級(jí)

定轉(zhuǎn)子間氣隙 /mm 14

2 定子改造整體方案的制定

(1)定子沖片：槽形不變，仍為24.4 × 128，沖片材料選用單位損耗較小的50W270優(yōu)質(zhì)硅鋼片。

(2)定子鐵芯。

①將原來(lái)的磁性端箍改換成材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti的非磁性端箍；

②將原來(lái)的磁性齒壓板壓指更改為非磁性扁鋼40Mn18Cr4V。

①②兩項(xiàng)的改進(jìn)目的是減小端部漏磁損耗。

③為防止鐵芯裝壓后其上、下端部產(chǎn)生齒漲，對(duì)鐵芯上、下端部采用了端部粘接工藝(6 mm/段，共3段的階梯結(jié)構(gòu))。

④原機(jī)組定子通風(fēng)溝高度為10 mm，通風(fēng)溝個(gè)數(shù)為13。經(jīng)綜合考慮，為保證定子鐵芯通風(fēng)冷卻效果，又確保定子鐵芯擁有足夠的有效長(zhǎng)度，確保定子較低的溫升，將本次改造方案中的設(shè)計(jì)通風(fēng)溝高度定為8 mm，通風(fēng)溝個(gè)數(shù)定為23。

(3)定子繞組。

①將線圈絕緣由原 B級(jí)絕緣更改為F級(jí)絕緣；

②為了減小股線環(huán)流引起的定子繞組溫升，下線時(shí)在各相繞組支路的1/2Y處進(jìn)行了“R-T”連接換位接線；

③線圈在槽內(nèi)的徑向固定由原來(lái)的槽楔固定改為槽楔加楔下波紋板的固定結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)依靠彈性波紋板強(qiáng)有力的彈性使定子線圈在冷、熱狀態(tài)下均承受一定的壓力，既能補(bǔ)償線圈絕緣老化的收縮，又使線圈、槽楔長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)牢固不松動(dòng)；

④為了防止線圈因受電磁振動(dòng)而磨損絕緣，在線圈出槽口處設(shè)置了槽口墊塊，槽口墊塊安裝時(shí)浸膠適形氈并與上層或下層一起綁扎，絕緣固化后，槽口墊塊與線圈形成一個(gè)牢固的整體。

3 機(jī)組原鐵芯拆除后的狀況及存在的問(wèn)題

(1)因該機(jī)組為1957年的產(chǎn)品，機(jī)座分三辨，上、下端齒壓板為小齒壓板結(jié)構(gòu)。定子在出廠前疊片、下線、運(yùn)至電站現(xiàn)場(chǎng)組圓，因受當(dāng)時(shí)機(jī)械加工能力所限，機(jī)座內(nèi)圓并未機(jī)加工，僅靠掛鴿尾筋通過(guò)手工測(cè)繪的方式找正內(nèi)圓。作為鐵芯疊片的基準(zhǔn),因沒(méi)有加工基準(zhǔn)面從而給找機(jī)座中心帶來(lái)極大的困難。

(2)定子鐵芯拆除前定子圓度的測(cè)量。

按GB 8564-2003《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱GB 8564-2003規(guī)范)規(guī)定：“定子圓度測(cè)量，各半徑與設(shè)計(jì)半徑之差不應(yīng)大于設(shè)計(jì)空氣間隙值的±5%……”，本機(jī)組的允許偏差為14×±5%=±0.7(mm)。

據(jù)此計(jì)算，上段半徑最大值為15.54 mm ,最小值為14.14 mm。其1、2、8、24、12、13、14、15、17、18測(cè)點(diǎn)超標(biāo)。中段半徑最大值為14.86 mm，最小值為13.46mm， 1、9、10、13、14、15、16、17測(cè)點(diǎn)超標(biāo)。下段半徑最大值為14.9 mm，最小值為13.5 mm， 14、15、16測(cè)點(diǎn)超標(biāo)。

(3)舊鐵芯拆除后，對(duì)定位筋上、中、下段分別進(jìn)行圓度測(cè)量，平均半徑相對(duì)值上段為8.53 mm、中段為8 mm、下段為7.89 mm。測(cè)量結(jié)果表明：定位筋半徑布圓上、下端圓度存在較大的錐度。

(4)定位筋情況。

48根定位筋其弦距、垂直度、直線度差別較大、嚴(yán)重超標(biāo)，多處弦距差別大于1.28 mm。為避免相鄰沖片邊緣搭疊，有意將沖片接縫處的間隙放大，設(shè)計(jì)成0.8 mm(現(xiàn)在的設(shè)計(jì)值一般選0.2～0.25 mm)。其中一根定位筋下端出現(xiàn)斷裂翹起的情況。有15根定位筋下端面未超出下環(huán)板下平面，最大值為3 mm。

(5)原機(jī)組所有上齒壓板壓指的下平面均堆焊有10 mm高的增高層。

(6)原沖片質(zhì)量差，其上下表面絕緣層脫落較嚴(yán)重。

(7)定子鐵芯沿圓周方向高度不等，最小值為780 mm，最大值為785 mm，均未達(dá)到設(shè)計(jì)值790 mm。

4 原機(jī)組存在的問(wèn)題及影響機(jī)組運(yùn)行的原因分析

(1)定子鐵芯圓度嚴(yán)重超差。

從定子鐵芯圓度測(cè)量值看，因原機(jī)組定位筋裝配質(zhì)量較差，定位筋半徑分布圓上、下端圓度存在較大的錐度，且弦距、垂直度、直線度嚴(yán)重超標(biāo)，導(dǎo)致定子鐵芯圓度超差且其平均半徑均小于設(shè)計(jì)值，從而使定子氣隙值變小。由于電機(jī)短路比Kc與氣隙值δ成正比，故電機(jī)的氣隙值變小使得短路比有所下降，將影響到發(fā)電機(jī)的過(guò)載能力和電壓變化率，同時(shí)亦影響到電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性。上、中、下段鐵芯各半徑不均勻而造成氣隙不均勻、磁路不對(duì)稱，故所產(chǎn)生的磁拉力亦不平衡，將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)擺度及振動(dòng)增大，機(jī)組輸出電壓波形變差，諧波成份亦增大。

(2)鐵芯松動(dòng)問(wèn)題。

原機(jī)組在長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的運(yùn)行過(guò)程中，鐵芯受熱膨脹及附加壓力等多種因素的作用，使鐵芯沖片漆膜變薄，加之沖片漆膜絕緣老化收縮，使其片間的緊密度降低，產(chǎn)生了松動(dòng)現(xiàn)象。鐵芯松動(dòng)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，導(dǎo)致沖片絕緣漆膜進(jìn)一步磨損、松動(dòng)進(jìn)一步加劇。 鐵芯沖片的電磁振動(dòng)及噪聲亦將大幅增大。鐵芯沖片的強(qiáng)烈振動(dòng)將使沖片的絕緣層嚴(yán)重脫落，這一點(diǎn)可以從拆除的舊沖片的生銹情況看出。鐵芯松動(dòng)加劇后還將磨損定子繞組的絕緣。

該機(jī)組于1994年更換定子繞組時(shí)對(duì)定子鐵芯進(jìn)行過(guò)一次壓緊處理。由于當(dāng)時(shí)沒(méi)有備用沖片，故無(wú)法用增加沖片的方法重壓鐵芯，只是在上齒壓板壓指下平面堆焊金屬用于增加壓緊行程、再進(jìn)行鐵芯壓緊。重壓后鐵芯沿圓周方向的高度不等，最小值為780 mm，最大值為785 mm，均小于設(shè)計(jì)值790 mm。因下齒壓板壓指的上平面未堆焊金屬，此時(shí)定子鐵芯磁力中心線較鐵芯重壓前有所下降，相當(dāng)于定子機(jī)座整體下沉，從而增加了推力瓦承受的機(jī)械推力負(fù)荷，導(dǎo)致推力瓦溫度上升，對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行極為不利。

鐵芯重壓后，電磁噪聲仍然存在，只是有所減小。因沖片絕緣層已嚴(yán)重脫落，鐵芯壓緊力增大后沖片片間短路點(diǎn)劇增，鐵芯渦流損耗上升，導(dǎo)致鐵芯發(fā)熱更為嚴(yán)重，鐵芯運(yùn)行溫度持續(xù)上升。

(3)相鄰沖片軛部接縫處的間隙較大(0.8 mm)，定子軛部圓周方向磁路磁阻增大，磁位降增大，使發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的勵(lì)磁電流增大，勵(lì)磁損耗亦增大，發(fā)電機(jī)運(yùn)行效率下降。

(4)定位筋的主要作用是承受電磁扭矩和沖片定位。定位筋焊接在三個(gè)托塊上，托塊再焊接在機(jī)座上、中、下環(huán)板之上。因定位筋與中間托塊早已脫焊，本來(lái)由三個(gè)托塊承受的切向扭力現(xiàn)在落在兩個(gè)托塊上，其下部托塊處的定位筋因承受不了增大的扭力而出現(xiàn)斷裂。

5 對(duì)定子改造過(guò)程中存在問(wèn)題采用的處理方法

5.1 對(duì)定位筋的處理

考慮到施工工期、發(fā)電等諸多因素，采取對(duì)定位筋半徑偏小的部位進(jìn)行適量修磨、使其圓度及錐度等滿足疊片基本要求的措施。

(1)定子鐵芯中心點(diǎn)的確定。

從發(fā)電機(jī)上機(jī)架軸心處掛鋼琴線并以座環(huán)找中心，從發(fā)電機(jī)定子定位筋中段測(cè)量其半徑的相對(duì)讀數(shù)，+Y方向(5#定位筋)為8.14 mm、-Y方向(29#定位筋)為8.1 mm、+X方向(17#定位筋)為7.86 mm、-X方向(41#定位筋)為7.78 mm。+Y、-Y方向及+X、-X方向定位筋半徑相對(duì)讀數(shù)較為對(duì)稱，故可將其作為定子中心的基準(zhǔn)點(diǎn)。

(2)定子測(cè)圓中心柱的安裝。

用鋼卷尺測(cè)出定位筋中段上述四個(gè)點(diǎn)大致的對(duì)稱中點(diǎn)位置，并使中心柱的軸線與該點(diǎn)位大致重合。中心柱安裝完畢，分別在中心柱的+Y及+X方向各掛一組鋼琴線，先調(diào)整中心柱的垂直度，其方法是：先在中心柱+Y及+X兩個(gè)方向分別畫一條素線并確定上下兩個(gè)端點(diǎn)(相距約1 m)，用內(nèi)徑千分尺分別測(cè)量中心柱+Y、+X方向上素線的兩個(gè)端點(diǎn)至+Y及+X方向鋼琴線的距離，反復(fù)調(diào)整中心柱使其分別相等。垂直度合格后，再調(diào)整中心柱的中心。其方法是：用內(nèi)徑千分尺分別測(cè)量中心柱至+Y、-Y及+X、-X方向定位筋的半徑，調(diào)整中心柱底板上的調(diào)整螺栓，使定位筋上述四點(diǎn)上半徑對(duì)稱，如此反復(fù)調(diào)整垂直度及中心，最終使中心柱垂直度及中心均滿足要求。

(3)定位筋修磨量的確定。

根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)定子現(xiàn)場(chǎng)裝配工藝導(dǎo)則(SD287-88)4.7.5款“定位筋在各環(huán)板處的半徑偏差應(yīng)在設(shè)計(jì)值的在±0.5 mm以內(nèi)”的規(guī)定， 半徑合格范圍應(yīng)為：7.75 ～ 8.75 mm，以7.75 mm為修磨下限，對(duì)于半徑讀數(shù)小于7.75 mm的定位筋進(jìn)行修磨。修磨時(shí)，盡量使修磨面與半徑垂直，并用平尺靠修磨面使修磨部分與原始面平滑過(guò)渡。

(4)更換斷裂翹起的定位筋。

對(duì)斷裂損壞的定位筋進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪并按設(shè)計(jì)圖生產(chǎn)制造，現(xiàn)場(chǎng)焊接。

(5)對(duì)15根長(zhǎng)度不符合要求的定位筋進(jìn)行加長(zhǎng)處理。

將更換的定位筋用線切割橫切成3 mm和5 mm厚兩種規(guī)格的塊，并在鴿尾槽的后部鉆φ16塞焊孔。對(duì)長(zhǎng)度偏差小于0.5 mm和1 mm者墊入厚度為3 mm的定位筋切塊，共12處。對(duì)長(zhǎng)度偏差小于2 mm和3 mm者,墊入厚度為5 mm的定位筋切塊，共3處。焊接方法：將定位筋切塊墊入對(duì)應(yīng)編號(hào)的定位筋下端面，對(duì)齊后通過(guò)φ16塞焊孔塞焊定位。定位后在定位筋切塊與原定位筋(除鴿尾槽)的結(jié)合處施焊加固，焊后將焊接處打磨平整。通過(guò)上述方法，將定位筋下端面接長(zhǎng)，使其對(duì)下端沖片能夠起到有效的定位作用。

對(duì)所有的定位筋進(jìn)行修磨、加長(zhǎng)處理后進(jìn)行一次著色探傷檢查，避免再有斷裂的定位筋存在。

5.2 定子鐵芯疊片時(shí)階梯沖片邊緣搭疊的處理

原機(jī)組定子鐵芯半徑上、下端存在較大的錐度和橢圓度，即上端半徑大、下端半徑小的情況。雖然對(duì)定位筋進(jìn)行修磨處理、減小了錐度和橢圓度，但在鐵芯試疊片時(shí)，還是出現(xiàn)了部分相鄰階梯沖片邊緣搭疊和翹曲的情況。具體處理方法如下：

(1)對(duì)相鄰階梯沖片邊緣搭疊和結(jié)合縫無(wú)間隙對(duì)應(yīng)的定位筋再次進(jìn)行適量的修磨，以消除階梯沖片片間無(wú)間隙及搭疊的情況，使其滿足下線要求并使沖片間結(jié)合縫產(chǎn)生一定的間隙(間隙不小于0.1 mm)。

(2)對(duì)于階梯沖片的鴿尾槽及相鄰沖片的結(jié)合縫處，用銼刀修磨以消除結(jié)合縫無(wú)間隙及階梯沖片邊緣搭疊沖片的情況。修磨時(shí)用大力鉗墊橡膠板或棉布將沖片夾緊以確保漆膜不受到損傷，粘結(jié)沖片不分層。修磨后去除毛刺，最后對(duì)修磨部分進(jìn)行補(bǔ)漆處理，避免沖片片間短路。

(3)對(duì)于新設(shè)計(jì)制造的沖片，其相鄰沖片接縫處的單邊間隙按標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)計(jì)，其值為0.2 mm，而原沖片為0.8 mm。對(duì)于減小勵(lì)磁電流及勵(lì)磁損耗大為有利。

6 定子改造過(guò)程驗(yàn)收

(1)定子重新疊片后定子鐵芯高度的測(cè)量。

定子鐵芯安裝完畢，對(duì)定子鐵芯高度進(jìn)行了全面測(cè)量復(fù)核，其值均大于鐵芯高度設(shè)計(jì)值793 mm，滿足要求。

(2)定子重新疊片后定子鐵芯圓度的測(cè)量。

采用吊鋼琴的方法，按GB 8564-2003進(jìn)行驗(yàn)證。

從定子鐵芯上、中、下內(nèi)半徑測(cè)量數(shù)據(jù)看，其圓度滿足GB 8564-2003 規(guī)范要求，氣隙長(zhǎng)度亦趨于均勻。

(3)定子鐵芯疊片完成后相關(guān)參數(shù)的驗(yàn)證情況。

定子鐵芯疊片完成后，所有的鐵芯槽用通槽棒能順利通過(guò)，滿足下差的要求。

①定子鐵芯壓緊緊度的驗(yàn)證：采用1 400 N扭力的扭力扳手檢驗(yàn)拉緊螺桿；用緊度刀片檢查定子鐵芯，方法是單手插入深度不大于3 mm。鐵芯緊度驗(yàn)證符合要求。

②定子鐵芯端部齒漲為0.5 mm，定子鐵芯的波浪度小于10 mm，合格。

③定子鐵芯改造前后定子與轉(zhuǎn)子安裝高程對(duì)比情況。

實(shí)測(cè)定子鐵芯平均中心線高程為5 887.5 mm，轉(zhuǎn)子磁極中心高程為5 885.75 mm，即定子鐵芯磁力中心較轉(zhuǎn)子部分磁力中心高1.75 mm。

按GB 8564-2003規(guī)范第7.5.4b款要求，定子鐵芯平均中心線高程高于轉(zhuǎn)子磁極中心，其數(shù)值小于定子鐵芯有效高度的0.4%，新安裝的定子鐵芯有效長(zhǎng)度為584.8 mm，584.8×0.4%=2.336(mm)，故其滿足規(guī)范要求。

(4)定子鐵芯鐵損試驗(yàn)。

①試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算值。

經(jīng)計(jì)算，該50W270； 50W270沖片在10 000 GS時(shí)單位鐵損應(yīng)≤1.56 W/kg。

②鐵損試驗(yàn)結(jié)果。

鐵損試驗(yàn)磁密為8 986 GS，換算至10 000GS時(shí)單位鐵損為1.26 W/kg，小于1.56 W/kg；齒部及軛部最高溫升為6.066 ℃<15 ℃(相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的允許溫升值)。結(jié)論：合格。

(5)改造效果比較(改造前、后的環(huán)境溫度均為30℃)。

表1 改造效果比較表

通過(guò)對(duì)定子進(jìn)行更換、定子鐵芯圓度超差處理后，試驗(yàn)數(shù)據(jù)合格，機(jī)組各軸承瓦溫、定子線圈及鐵芯溫度運(yùn)行良好，達(dá)到了改造的目的。