株树桥3号发电机改造技术研究与应用

（浏阳市株树桥水库管理局长沙市410300）

株树桥3号发电机改造技术研究与应用

张珏

（浏阳市株树桥水库管理局长沙市410300）

通过从“电磁”和“机械结构”两方面入手进行方案计算和总体结构布置，结合先进的通风计算程序、CAE有限元分析技术、厂内弹性试验进行可行性论证，对株树桥水电站3号发电机改造技术进行研究与应用，彻底解决发电机存在的温度偏高、振动偏大等缺陷。改造后发电机整体性能稳定，在额定水头以上均能实现长期满负荷发电运行。该技术的研究与应用对不改变机组土建结构、消除发电机隐患、增加发电机效率等方面的电站发电机改造具有较强的指导意义。

发电机电磁通风机械强度改造

1 改造背景

株树桥水电站3号发电机电磁和结构设计存在较大安全隐患：线圈电流密度过高、布置的通风系统产生的风量不够、上机架刚度不够，安装时上机架下沉2mm左右。机组运行过程中定、转子温度偏高、上机架垂直振动偏大、推力瓦温度偏高等缺陷，多次出现发电机定子线圈烧坏和并头套炸裂现象，后期一直采用限6MW最高负荷的保护性运行措施。为彻底解决发电机存在的温度偏高、振动偏大等缺陷，经研究，从“电磁”和“机械结构”两方面入手重新进行方案计算和总体结构布置，并结合先进的通风计算程序、CAE有限元分析技术、厂内弹性试验进行可行性论证，对3号发电机进行技术改造。

2 基本参数

株树桥水电站3号发电机（型号：SF-J8000-16/ 3300）基本参数：

绝缘等级：F/F；额定功率：8000kW；额定效率：96.5%；额定电压：6300V；空载励磁电流：185A；额定电流：916.4A；空载励磁电压：59.1V；额定转速：375r/min；满载励磁电流：340A；额定频率：50HZ；满载励磁电压155.2V；功率因数：0.8（滞后）。

3 改造方案

（1）定子线圈。将定子绕组线圈由未进行罗贝尔换位的条式波绕组变更为圈式叠绕组，调整绕组线规，技术改造后定子线圈电流密度为4.01A/mm2，改造前后平均电流密度降低了16.8%。

（2）磁极线圈。加大发电机磁极线圈线规宽度，调整线圈绕制匝数，增加过流截面积，技术改造后磁极线圈电流密度为3.05A/mm2，改造前后平均电流密度降低了16%。

（3）发电机通风系统。增加定子铁芯段段数和通风道道数，增加冷却风通过通风道时与铁芯表面接触面积，在转子磁轭上、下端各增设16个极间送风能力强的桨叶式风扇，保证发电机定子温度控制在90℃以内。

（4）上机架刚度。结合CAE有限元分析技术，对上机架进行刚度加强改造。

（5）推力轴承支撑结构。将原刚性可调支柱螺栓结构（或称承重螺栓结构）变更为弹性托盘支撑结构，结合EXCEL变形计算和CAE有限元分析技术验证变形量和应力，在负荷不均匀时能够自动平衡各瓦负荷。

4 改造技术要点

4.1 电磁方案部分

为降低定转子的温升，计算电磁方案和设计结构时做了以下几项的改进：

（1）原发电机定子绕组为22股2.0×4.5铜线，每槽线匝Sn=2，每相并联路数a=1，计算电流密度为J1=4.82A/mm2，绕组为条式波绕组，但没有进行罗贝尔换位（此项引起的附加损耗超过基本铜损的10%，而且使绕组局部可产生过热）。改造方案为8股2.8×5.3铜线，每槽线匝Sn=4，每相并联路数a= 2，计算电流密度为J2=4.01A/mm2，绕组为圈式叠绕组，可见改造前后平均电流密度降低16.8%左右，而且定子线圈单匝导体高度比原发电机降低了51%，从而降低了由于导体在高度方向上处在不同磁场下带来的附加铜耗。同时，圈式线圈由于结构上的特点，在线圈绕制过种中，其上、下层线匝自动实现了换位。改造后的定子线负荷为463A/cm，热负荷为1857.6A2/cm·mm2。通过改变绕组的结构型式及调整线规达到了降低定子铜耗的目的。

（2）原发电机定子铁芯外径为3300mm，内径为2870mm，槽深宽为16.3mm×76mm，轭部计算磁密约为14500Gs，改造之后定子铁芯外径稍加大为3310mm，内径仍为2870mm，槽深宽调整为16.9mm×71mm，轭部计算磁密约为12713Gs，轭部磁密降低。定子槽宽虽由16.3mm加宽至16.9mm，使定子齿宽稍有减少，带来定子齿部磁密会略有提高，齿部计算磁密约为14946Gs，仍属很合适的取值，同时由于定子槽深由76mm减小至71mm，齿磁路长度减小，综合两方面因素，定子铁芯齿部的铁损基本维持原水平。因为定子铁芯的绝大部分重量集中在轭部，因此，轭部磁密降低后，就降低了由轭部带来的铁损，从而使整个发电机的定子铁损得到了降低。

（3）原发电机定子铁芯分段组合为11×50+2× 45+12×10=760mm，改造后的定子铁芯分段组合为16×40+15×8=760mm，可以看出，铁芯的有效总长度、通风道的总高度保持不变，只是通过降低每段铁芯的高度来增加铁芯段的段数和通风道的道数，通风道的道数从12增加到15，则冷却风通过通风道时与铁芯表面的接触面积增加了25%，只有与铁芯表面接触的冷却风才能带走铁芯上的热量，因此，虽然通风道的总高度没有改变，但定子铁芯的通风散热面积却得到了增加。通过降低铁芯段高度、增加铁芯段数量和通风道，增加散热面积，从而提高空气冷却效率。

（4）铁芯两端增加12×12的阶梯段，从而降低了铁芯端部漏磁在极靴表面产生的附加损耗。

（5）定子铁芯扇形冲片材料采用性能指标更高的50WW310高硅冷轧无取向硅钢片（武钢产）替换，原发电机采用的牌号为50WW350硅钢片，通过优质材料的选用进一步降低定子铁芯损耗值约11%。

（6）原发电机磁极线圈线规为2.8×31.5，每个线圈的绕制匝数为57.5匝，计算电流密度为J2=3.63A/ mm2，改造后采用的磁极线圈线规为2.8×40，即铜线的厚度不变，但宽度加大了，使铜线的截面积加大，每个线圈的绕制匝数为54.5匝，计算电流密度为J2= 3.05A/mm2，改造前后平均电流密度降低约16%。

（7）定子线圈间的连接由钎锡焊改为银铜焊，提高了线圈端部焊接质量，基本可以杜绝原条式线圈锡焊接头因焊接不良而出现局部过热熔锡脱焊甚至并头套炸裂现象的发生。

通过电磁方案的计算和调整，除发电机的定子铜耗、定子铁耗、转子铜耗明显降低外，发电机的其它参数也都完全符合国家标准或设计规范，比如：短路比fko=1.01、纵轴同步电抗Xd=1.091、纵轴瞬变电抗Xd′=0.1975、纵轴超瞬变电抗Xd″=0.1416、横轴超瞬变电抗Xq″=0.1654。

4.2 机械结构部分

4.2.1 定子结构改造

（1）考虑经济性，保留原定子机座，将机座定位筋内圆和上环内圆加工至3310mm，保证新设计的冲片分片数、槽数以及定位孔分布圆直径与原发电机组一致，同时可保证冲片外圆与机座定位筋之间的准确定位。

（2）定子线圈双层条式波绕组改为双层圈式叠绕组，支路数由1支路改为2支路，并重新设计定子绕组接线图；定子测温元件为单支，共12只，层间6只，槽底6只，增加新的定子测温接线盒以及接线盒垫板；定子主、中性引出线用导电环和导电排引出，由于机座引出线附近有加强筋，为了避开加强筋和保证导电排对地距离，引出导电排间距加大到280mm。

（3）扩大机座壁上的定子引出线孔；上、下环之间机座壁上割缺口，以便铁芯叠好之后焊接固定板，铁芯叠好之后再把新制作的壁焊于机座壁上；重新设计定子基础板，把原发电机斜向销定位结构改成径向销定位结构，方便安装。

4.2.2 转子结构改造

（1）考虑经济性，保留原磁轭和主轴，磁极冲片重新制作，采用Q345B冲制而成，极身高度和宽度进行优化调整，磁极冲片拉紧螺杆孔数由6个改成4个；磁极线圈线规重新选取,降低线圈温升。

（2）经通风计算程序核算，将转子磁轭上、下端刮板式风扇改造成32个极间送风能力强的桨叶式风扇,保证转子极间风量足够。

（3）极间撑块重新设计；更换新的电缆引线；重新补焊和配车加工集电环短轴上与主轴配合的内孔，重新加工集电环外圆。

4.2.3 上机架结构改造

（1）原发电机上机架刚度不够，安装时就下沉2mm左右，改造时在中环板和下环板之间焊接加强筋，提高了上机架刚度，CAE有限元分析结果表明，加固前后上机架刚度提高了23.5%左右，中环板和下环板之间的机架腿筋板应力降低了40%。

（2）考虑到加固之后上机架变形，机架腿垫板和扇形垫板各增加2mm和3mm，机架腿垫板上的销孔在电站安装时重新钻铰。

（3）推力轴承改造成弹性支撑结构，托盘和支撑采用弹簧钢材料，具有在负荷不均匀时能够自动平衡各瓦负荷的显著优点，使发电机轴承运行更加安全可靠。

（4）原发电机推力头卡环与主轴间存在间隙，按现场测量尺寸重新配做卡环，保证推力头与主轴的同心度。

5 改造效果

株树桥水电站3号水轮发电机组改造后于2015年2月成功并网运行，通过72h满负荷试运行试验，机组各项性能指标见表1、表2中数据，性能指标均符合国家标准要求，能满足机组安全运行要求。

株树桥水电站3号机组发电机技术改造自投入运行至2016年底，累计已安全运行6323h，发电4768万kW·h，创发电产值1668万元，相比较未进行技术改造前增加发电量1192万kW·h，增加发电产值417.2万元，增加税收25万元。

表1 3号水轮发电机组振动、摆度测量值mm

表2 3号水轮发电机组稳定运行温度记录表

6 结语

通过对株树桥水电站3号发电机改造技术的研究与应用，消除了原有温度偏高，振动偏大等安全隐患，改造后机组整体性能稳定，在额定水头以上均能实现长期满负荷发电运行。由于该发电机的改造是在不改变机组土建结构前提下，进行的技术改造，在水电站整体机组设计上还存在一定的局限性，但对于当前机组增效扩容改造具有一定的借鉴意义。

[1]GB/T50700-2011.小型水电站技术改造规范[S].

[2]裘迪林，文虎，罗宇航.株树桥水电站水轮发电机上机架改造[J].小水电，2016，（04）：45-49.

2017-03-27）

张珏（1972-），男，大学本科，工程师，从事发电与输配电工作。