宋和斌，祝初等，幸 波

（江西贛能股份有限公司抱子石水電廠(chǎng)，江西 九江 332400）

1 電站概況

抱子石水電站位于江西省修水縣城下游，是修河干流10 個(gè)梯級(jí)電站中的第6 個(gè)梯級(jí)電站。電站安裝兩臺(tái)燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)2×20 MW。電站兩臺(tái)機(jī)組分別于2004 年2 月、6月相繼投產(chǎn)發(fā)電。

發(fā)電機(jī)定子機(jī)座采用整圓結(jié)構(gòu)，由鋼板焊接而成。定子鐵心為貼壁式，無(wú)徑向通風(fēng)溝，采用優(yōu)質(zhì)低損耗硅鋼片疊壓而成。改造前發(fā)電機(jī)基本參數(shù)如表1 所示。

表1 改造前發(fā)電機(jī)基本參數(shù)

2 存在的問(wèn)題

抱子石電站1 號(hào)機(jī)自2004 年投產(chǎn)以來(lái)一直存在著定子溫升偏高的問(wèn)題。雖對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了多次改造，發(fā)電機(jī)的運(yùn)行條件有所改善，但因未對(duì)定子做結(jié)構(gòu)性的改造，定子運(yùn)行溫度偏高、定子鐵心松動(dòng)等問(wèn)題一直未能得到徹底解決。

2.1 定子溫度偏高

改造前抱子石電站1 號(hào)機(jī)帶17 MW 有功時(shí)，定子最高運(yùn)行溫度超過(guò)120 ℃。為確保發(fā)電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行，發(fā)電機(jī)不得不長(zhǎng)期限負(fù)荷運(yùn)行。

2.2 定子鐵心松動(dòng)

經(jīng)過(guò)近20 年的運(yùn)行，抱子石電站1 號(hào)機(jī)出現(xiàn)了大面積的定子鐵心松動(dòng)。還曾由于定子鐵心松動(dòng)磨損了線(xiàn)棒端部，引起了定子一點(diǎn)接地故障的發(fā)生。

圖1 定子一點(diǎn)接地故障現(xiàn)場(chǎng)照片

2.3 空氣冷卻器換熱容量小

發(fā)電機(jī)采用密閉強(qiáng)迫通風(fēng)系統(tǒng)，在定子上游側(cè)設(shè)有6 個(gè)空氣冷卻器用于帶走發(fā)電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的大部分熱量。由于空氣冷卻器換熱容量較小，使得發(fā)電機(jī)散熱能力不足。

3 原因分析

3.1 定子溫度偏高原因分析

（1）電磁設(shè)計(jì)方面

分析改造前發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)可知，原發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)時(shí)選取了較高的熱負(fù)荷、電密以及定子溫升等參數(shù)，選擇較高的電負(fù)荷水平雖然可以減少有效材料的用量，但也會(huì)使定子產(chǎn)熱增加，引起定子溫升偏高。

（2）散熱方面

抱子石電站發(fā)電機(jī)為貼壁燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)，機(jī)組產(chǎn)生的熱量主要是通過(guò)定子機(jī)座壁和通風(fēng)冷卻系統(tǒng)帶走。

由于貼壁式機(jī)組實(shí)際運(yùn)行時(shí)散熱能力受到機(jī)座與鐵心貼合程度的影響，機(jī)座壁的散熱能力往往達(dá)不到理想值。若機(jī)座壁散熱能力不佳，多余的熱量只能通過(guò)通風(fēng)系統(tǒng)帶走，從而增加通風(fēng)系統(tǒng)散熱負(fù)荷。若風(fēng)機(jī)風(fēng)量或空冷器換熱容量余量不足，熱量會(huì)在發(fā)電機(jī)內(nèi)部累積使其環(huán)境溫度升高，從而引起定子溫升偏高。

3.2 定子鐵心松動(dòng)原因分析

（1）定子溫度偏高

由于定子運(yùn)行溫度過(guò)高，定子鐵心熱膨脹后受軸向應(yīng)力作用產(chǎn)生翹曲變形。發(fā)電機(jī)啟停以及負(fù)載變化使定子鐵心溫度發(fā)生冷熱交替，長(zhǎng)期多次的熱脹冷縮引起鐵心松動(dòng)[1]。

（2）定子鐵心壓緊方式不可靠

抱子石電站機(jī)組定子鐵心采用焊接齒壓板壓緊結(jié)構(gòu)，該鐵心壓緊方式無(wú)彈性?xún)?chǔ)備。發(fā)電機(jī)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行以后，定子沖片表面漆膜收縮、冷熱態(tài)交替以及鐵心在工作狀態(tài)下的正?；虍惓Ｕ駝?dòng)等原因均會(huì)引起定子鐵心松動(dòng)。

4 解決措施

4.1 優(yōu)化電磁設(shè)計(jì)

由于改造前機(jī)組電磁設(shè)計(jì)時(shí)選取的熱負(fù)荷、電密以及定子設(shè)計(jì)溫升等參數(shù)較高，制定的改造方案需要增加有效材料的用量，以降低定子電密和熱負(fù)荷，從而降低定子最高溫升。

4.2 選擇更加可靠的發(fā)電機(jī)貼壁技術(shù)

貼壁貫流機(jī)組定子鐵心背部與機(jī)座間隙的處理對(duì)定子溫升影響很大。抱子石1 號(hào)機(jī)定子改造采用了導(dǎo)熱膠貼壁技術(shù)，該導(dǎo)熱膠具有傳熱能力強(qiáng)、富有彈性、流動(dòng)性好、抗老化性強(qiáng)等特點(diǎn)。

導(dǎo)熱膠在定子鐵心壓緊后灌注，因此可以彌補(bǔ)機(jī)座加工偏差和定子的起吊變形，確保導(dǎo)熱膠與機(jī)座、鐵心間接觸良好，從而有效地將發(fā)電機(jī)定子產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出。

4.3 定子線(xiàn)棒絕緣系統(tǒng)優(yōu)化

抱子石電站1 號(hào)機(jī)定子線(xiàn)棒采用VPI 絕緣結(jié)構(gòu)。該絕緣結(jié)構(gòu)：一方面具有更低的介質(zhì)損耗增量，更高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，更高的耐電、熱老化壽命；另一方面，與改造前多膠模壓線(xiàn)棒相比，絕緣厚度更薄，能夠進(jìn)一步提高槽內(nèi)絕緣傳熱性能，有利于將熱量傳遞給鐵心，降低線(xiàn)棒溫度。

4.4 采用小于360°換位技術(shù)

發(fā)電機(jī)的定子線(xiàn)棒是由多股線(xiàn)在兩端并聯(lián)組成。定子線(xiàn)棒處在電機(jī)槽部和端部十分復(fù)雜的漏磁場(chǎng)中，為了減少并聯(lián)股線(xiàn)的環(huán)流損耗，改善線(xiàn)棒內(nèi)股線(xiàn)溫度的分布[2]，抱子石電站1 號(hào)機(jī)采用小于360°的換位方式。

圖2 定子線(xiàn)棒股線(xiàn)換位

采用小于360°的換位方式，能有效減少由于端部漏磁而在定子線(xiàn)棒中產(chǎn)生的附加環(huán)流，使股線(xiàn)間溫度均勻，降低線(xiàn)圈股線(xiàn)溫差，從而降低線(xiàn)圈最大溫升，改善絕緣老化，延長(zhǎng)線(xiàn)圈壽命，并減小附加損耗。

4.5 提高空氣冷卻器的換熱容量

發(fā)電機(jī)的大部分熱量通過(guò)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)帶走，為了提高發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的散熱能力，需要提高空氣冷卻器的換熱容量。

4.6 優(yōu)化定子鐵心壓緊方式

定子鐵心的壓緊采用穿心螺桿+碟簧的固定方式。由于碟簧具有足夠的彈性?xún)?chǔ)備，發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行鐵心發(fā)生收縮時(shí)，碟簧的壓縮量將會(huì)補(bǔ)償穿心螺桿的伸長(zhǎng)量，使定子鐵心仍然能夠維持足夠的壓緊力，以保證定子鐵心長(zhǎng)期運(yùn)行后不松動(dòng)[3]。

圖3 改造后定子鐵心壓緊結(jié)構(gòu)

在工藝措施方面，為了保證定子鐵心的壓緊質(zhì)量，抱子石1 號(hào)機(jī)鐵心疊片時(shí)采用分段壓緊的方式，并在鐵損試驗(yàn)后再次壓緊。

此外，抱子石1 號(hào)機(jī)定子鐵心端部采用粘膠片結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)了鐵心端部的整體性[4]。鐵心采用浮動(dòng)鴿尾定位筋結(jié)構(gòu)，能夠適應(yīng)鐵心熱膨脹，消除了熱膨脹的內(nèi)應(yīng)力，防止鐵心翹曲變形。

5 改造效果

2023 年1 月，抱子石電站1 號(hào)機(jī)定子及其輔助部件改造完成并順利投入商業(yè)運(yùn)行。發(fā)電機(jī)通風(fēng)溫升試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 電站1 號(hào)機(jī)定子改造前后定轉(zhuǎn)子溫升對(duì)比

由發(fā)電機(jī)溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：

（1）電站1 號(hào)發(fā)電機(jī)在額定容量、額定電壓、額定功率因數(shù)運(yùn)行至熱穩(wěn)定時(shí)，定子線(xiàn)圈最高溫升為52.3 K，較改造前的98.6 K 溫升降低了46.3 K。

（2）電站1 號(hào)發(fā)電機(jī)在額定容量、額定電壓、額定功率因數(shù)運(yùn)行至熱穩(wěn)定時(shí)，轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈平均溫升48 K，較改造前的56 K 降低了8 K。

改造后的發(fā)電機(jī)定子溫度顯著降低，解決了定子鐵心松動(dòng)的問(wèn)題，達(dá)到了改造的預(yù)期目標(biāo)。該機(jī)組的成功改造經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)同類(lèi)型水輪發(fā)電機(jī)定子改造提供了寶貴借鑒。