某水轮发电机定子改造的分析和计算

曾需要，李 震，刘世泽，冯雪萍，常朝晖，秦光宇



某水轮发电机定子改造的分析和计算

曾需要1，李 震2，刘世泽1，冯雪萍1，常朝晖1，秦光宇3

（1.国网甘肃省电力公司刘家峡水电厂，甘肃 永靖 731600；2.国网湖北省电力公司黄龙滩水力发电厂，湖北 十堰 442000；3.水力发电设备国家重点实验室（哈尔滨大电机研究所），哈尔滨 150040）

大型水轮发电机长期在电、热、机械和环境因素的作用下运行，会经历磨损和劣化。我国许多机组已超期服役，存在着大量的隐患，如果不进行改造，将严重威胁到发电机甚至整个电网的安全。本文以国内某电厂一台运行了43年的发电机为例，详细分析了定子存在的问题，对一些参数和变量进行了分析计算，论证了定子改造的可行性，并提出了改造的方案。对类似电厂的改造具有重要参考价值。

水轮发电机；定子；改造；电磁分析；受力分析；通风计算

0 前言

水电机组在长期运行过程中所有的部件都要经历磨损和劣化。劣化的速度受原始设计、制造和安装、预防性和纠正性维护、运行工况（如温度、振动和电网扰动）的影响[1]。机组各部件的劣化严重影响着安全可靠运行。水轮发电机的更新改造作为一个议题，已在很多论坛上进行过长时间的讨论。在不同的地域、不同的时间，随着经济条件的发展，改造的方法也得以改进完善。国内外各大电厂曾在上世纪末和本世纪初进行过增容改造[2-5, 7, 8]。由于参数的变化、设计方案、技术实施、不同的运行条件以及检修质量等多方面的原因，所认可的通用方法是不可能把所有重要因素考虑进去的[6]。因此，无论是对于曾经进行过增容改造的电厂，还是未来需要进行现代化升级的电厂，总结出一套切实可行的电厂改造和升级经验是必要的。

根据相关研究，发电机预期寿命一般在40年左右[7]。我国许多机组已超期服役，存在着大量隐患，如果不进行改造，将严重威胁到发电机甚至区域电网的安全。

本文以国内某电厂一台运行了43年的发电机为例，详细分析了定子存在的问题，对一些参数和变量进行了计算，论证了定子改造的可行性。对类似电厂的改造具有重要参考价值。

1 目前发电机定子存在的问题及改造的预期目标

所研究的发电机为无下导悬式结构，冷却方式为密闭自循环风斗式空气冷却方式。机组转动部分重量和水推力由定子机座传递到基础上。定子机座分为六瓣，采用薄板盒型立筋结构，机座与基础板为径向销钉固定结构。定子铁心压紧方式为背部拉紧螺杆方式，铁心压指为非磁性材料。定子线圈采用不完全换位条式线棒，热压成型，端箍为非磁性金属材料。

目前发电机定子主要存在的问题如下：

1.1 定子铁心齿压板松动及硅钢片断裂

在几年前的机组扩修中，在清除下端部槽楔绑绳时，发现定子33号至34号槽楔下阶梯段齿部铁心松动，定子铁心下压指振动磨损，使定子铁心局部过热变黑，铁心叠片磨损严重，整体台阶的铁心叠片全部松动，最下阶台阶磨损平均深度45mm，最深处达到73mm，高为20mm；定子33号线棒下端绝缘表面被断裂的铁心叠片刮伤磨损出1.5~2.0mm的不规则深坑，磨损面积为30mm×21mm。34号线棒下端绝缘表面被断裂的铁心片刮伤磨损出深度0.5~0.7mm不规则的深坑，磨损面积为45mm×8mm。

定子铁心齿压板松动主要是因为发电机为70年代初生产投运的产品，至今运行时间已长达43年。定子铁心及紧固件由于设计和制造安装工艺造成部分压指受力不均，出现了松动及相互磨损断裂现象，如图1所示。

图1 定子铁心齿压板松动图

定子铁心齿压板松动会造成硅钢片振动疲劳断裂，并与线棒间产生摩擦，造成绝缘磨损导致绝缘击穿事故。2013年机组发生过定子单相接地故障。本次故障原因为两相邻线棒之间的铁心片下压指松动造成铁心片断裂，倍频振动导致割伤线棒绝缘，使其中的一支线棒在运行中发生绝缘击穿。

2015年机组C级检修高压试验时，B相直流耐压至1.5n时（机组小修直流耐压试验标准：2.0n，31.5kV，1min），发电机定子B相绝缘击穿，绝缘值降至0MΩ（耐压前三相绝缘值分别为4660MΩ、4562MΩ、4550MΩ），A、C相 2.0n直流耐压顺利通过。最终确定B相第一支路一支线棒绝缘击穿。

故障原因分析：由于发电机定子运行已达43年之久，受长期振动及热老化等因素影响，定子铁心存在不同程度的下沉，硅钢片之间的绝缘胶逐渐失效，导致部分硅钢片单片脱层，在交变电磁力的作用下，长期振动造成硅钢片疲劳断裂，断裂部分在磁场力的作用下与定子线棒发生相对运动，损坏定子线棒绝缘导致击穿。

1.2 定子铁心下部出现过热老化迹象

定子部分铁心硅钢片表面的绝缘覆盖漆发生变色、龟裂，颜色发灰，干枯脱落。从油漆外观颜色判断，该部位具有温度热老化迹象。绝缘材料寿命对温度十分敏感。由于铁心绝缘材料为F级材料，尽管定子总体温度在标准允许范围内，绝缘漆仍然开始出现老化迹象。由于下端铁心温度较中部和上部稍高，因此下端铁心老化现象更为明显。

此类老化并非局部特殊故障造成，而是由材料固有寿命特性所决定。铁心的绝缘热老化以及温度升高，是一个恶性循环的过程，温度高造成绝缘更容易损坏，绝缘损坏会使铁心片间绝缘电阻降低甚至短路使热量增大，温度进一步上升，这是一个加速破坏的过程，直至出现过热点烧毁铁心。

1.3 定子槽楔松动严重

定子槽楔大面积多次松动，出现槽内垫条上窜、下沉现象，如图2所示。定子槽楔大面积松动主要原因是由于电磁力作用，当线棒中有交流电流通过时，将受到100Hz电磁力作用，产生振动，造成槽楔松动，因多次更换槽楔造成定子铁心变形损伤。

图2 定子槽楔下沉图

1.4 定子铁心叠片参差不齐

定子的6个分瓣合缝处可以清楚地观察到定子铁心片参差不齐的情况。叠片间有相对错动。在线棒拔出时，发现定子铁心槽内有铁心硅钢片凸出槽壁。其主要原因是因为结构设计固有缺陷和叠片工艺水平差，定子铁心叠片存在局部叠压和接缝间隙超标的现象。

叠片错动伤害片间绝缘会导致线棒绝缘损伤，铁心烧毁、断片造成线棒绝缘击穿。

1.5 铁心齿部通风沟倒齿严重

根据定子铁心通风沟图（图3）可以看出铁心齿部在通风沟处发生变形，局部弹开。铁心齿部通风沟变形影响通风冷却效果，使局部温度增高。

图3 定子铁心通风沟图

1.6 发电机定子温度不均匀

根据发电机运行温度记录，可以发现温度分布不均匀现象较为严重。上端平均75.3℃，中部平均63.9℃，下端平均温度83.2℃，下部比中部平均高19.3K，分析其主要原因是风路设计不合理，导致风量分配不合理。温度分布不均，造成定子铁心热膨胀不一致，发生相对错位，损伤铁心和线圈绝缘。单根线棒温差过高，线棒绝缘也较易损伤。

1.7 通风冷却系统

根据对发电机现场试验观察，上部通风口处有少量空气流出，且进风风速很小，而下部通风口处风速较大，明显有热风甩出电机外。下风路的冷却条件不理想，机座温度基本呈一低一高的分布规律，这与两种类型冷却器的冷却效果不同有关。由于冷却水泥沙含量大，且泥沙硬度高，空气冷却器经过多年运行，铜管管壁磨损变薄，运行中经常出现冷却管漏水的现象。为处理冷却水泄漏，必须对铜管进行封堵，12只冷却器出现不同程度封堵率，达7%~8%，导致冷却效果降低，影响发电机效率。应采用同一种形式，换热效果好，风阻小的冷却器，使发电机周向的温度分布更均匀；还须从结构优化、控制风量、及风量的分配方面来对发电机进行改造。

1.8 定子机座

定子机座至今已经运行43年，因机座合缝处变形导致铁心合缝错位，最大错位量达到5mm，合缝间隙由原设计的1mm增大到现在的3mm左右，存在安全风险。定子机座采用铁心背部压紧式结构，该结构在设计上存在铁心的压紧力不均匀等固有缺陷，导致长期运行后铁心窜动、线棒被击穿等问题。

目前比较成熟的结构为定子铁心穿心螺杆压紧结构，该结构彻底解决了背部压紧螺杆结构存在的铁心片窜动的问题，已得到广泛应用。如果定子机座不更换，新铁心及线棒的设计受原机座的结构限制，某些优化措施或先进工艺难以实施，无法达到整体最优设计，不能完全发挥改造的整体效益；若不更换机座，在拆除铁心后，须安排对机座关键焊缝进行探伤检查，进一步确认无裂纹，增加工序，导致工期增长，增加了成本，降低了效能；此外若不更换机座，定子机座下环板需要现场以冲片为样板钻孔，原孔洞需要进行封堵，现场加工精度难以达到要求，现场安装难度增大。综上所述，定子机座更换是十分必要的。

1.9 预期目标

根据目前机组运行中出现的问题，在本次技术改造中，主要的预期目标如下:

（1）通过更换发电机组定子铁心、线棒和机座，彻底消除定子机座合缝处错位、定子铁心合缝处错位、老化、倒齿、断片等问题，保证线棒可靠运行；

（2）通风系统目前采用双路径向斗式风扇密闭自循环全空气冷却方式，定子温度存在一定的不均匀现象，根据目前的设计手段，利用专业通风计算软件（Vent、Flowmaster，Fluent等）准确计算通风冷却系统，有针对性地解决定子温度不均匀现象；

（3）通过改造，提高发电机定子圆度、波浪度、气隙均匀度等参数品质；

（4）延长发电机定子检修周期；

（5）完善机组在线监测系统。

2 技术方案

2.1 两种技术方案比较

根据该水轮发电机存在的问题及改造的预期目标，拟定以下两种技术方案，进行比选：

方案一：更换整台机组定子绕组和定子铁心，原定子机座在现场进行局部适应性改造后现场整圆叠片下线。

方案二：发电机定子绕组、定子铁心和定子机座全部更换，工地现场整圆叠片下线。

通过对两种技术方案进行综合比较，方案二最优、方案一次之。因此，确定的改造技术方案为：定子绕组、定子铁心和定子机座全部更换，工地现场整圆叠片下线。

2.2 电磁参数

结合发电机的运行情况，在保证定子机座尺寸不变的条件下，咨询国内三个大型水轮发电机制造厂商，确定发电机定子改造后的主要电磁参数，见表1。

表1 主要电磁参数对照表

由表1可以看出：

（1）改造后机组的电磁参数得到了较大改善。直轴瞬变电抗对电力系统的稳定性有较大影响，其值越小，动态稳定极限越大，瞬变电压变化率越小，各厂提供的改造后机组直轴瞬变电抗均小于改造前；短路比越大，电机的稳定性能越好，直轴同步电抗变小,发电机的过载能力变大，负载电流引起端电压变化较小。从表1中可见A厂短路比保持不变，B厂较小，C厂略有增加。

（2）三厂家通过增加定子通风沟数量，改善机组冷却效果，使发电机计算温升有所降低，均符合规范《水轮发电机基本技术条件》（GB/T7894-2009）的要求[9]。

3 计算分析

3.1 定子机座受力分析

（1）有限元模型描述

利用ANSYS有限元分析软件建立水轮发电机定子机座有限元模型，如图4所示。

图4 定子机座有限元模型

（2）边界条件

根据各个工况特点，考虑定子铁心温度分布和重力，约束定子基础板处的所有自由度，约束上机架基础板的径向和环向自由度，上机架盖板的质量以质量单元的形式加载在上机架支臂上，计算得出的载荷分布，见表2。

表2 定子及上机架各个工况载荷分布

还进行了如下计算：

额定工况定子总体VON MISES应力分布；

额定工况定子总体变形分布；

半数磁极短路工况定子总体VON MISES应力分布；

半数磁极短路工况定子总体变形分布；

两相短路工况定子总体VON MISES应力分布；

两相短路工况定子总体变形分布；

临时过载地震工况定子总体VON MISES应力分布；

临时过载地震工况定子总体变形分布。

得出各工况定子及上机架应力和变形计算结果，见表3，可见定子机座的刚强度满足要求。

表3 定子及上机架应力和变形

3.2 通风计算

采用流体动力分析软件进行了发电机的通风计算，该软件广泛应用在各类机组通风系统的分析计算上，并得到大量成功运行电机的验证。发电机风路中转子支架、磁轭风沟、磁极极间的压力元件及阻力元件，气隙、定子风沟、冷却器等阻力元件用网络元件模拟。另外，增加了具有模拟不同流体与结构的特定参数，使该软件对通风系统的仿真更接近实际。

从电厂现场反馈的信息表明，该水电厂实际通风冷却系统和原设计主要有以下几个方面的区别:

（1）现在实际运行的机组已进行了通风系统的改造，安装了斗式风扇；

（2）去掉了固定挡风板；

（3）上风道定子端部回风，下风道定子端部对应机座壁开了通风口，通风方式与原机组有所不同，定子绕组温度呈两端高于中间，下风道侧温度高于上风道侧；

（4）磁轭叠片原来一片一叠，一片四极，串半极。而现场图纸显示运行机组增加了30层一片一叠，一片三级，叠片时，两片整极串，一片串一极半，再两片整极串，一片串一极半……，如此往复，磁轭总高度保持2350mm不变；

（5）采用了两种不同形式的冷却器。

对该水轮发电机进行了重新计算，其通风网络及风量计算结果如图5所示，风速如图6所示。

从图6可以看出，计算风量约为173.7m3/s，远大于需要值。

从目前的情况看，采用两种冷却器，冷却效果也有一定的差别，建议采用同一种形式换热效果好、风阻小的冷却器，使发电机周向的温度分布更均匀。

根据以上计算可以看出：

（1）对水轮发电机通风冷却系统的设计应以运行安全可靠、总风量控制、风量和风速的均匀分布等为原则。

（2）该水轮发电机的实测风量高于需要值，下风路的冷却条件不理想，在改造过程中应着重考虑目前存在的问题，从结构优化以及风量的控制和分配方面来进行水轮发电机的改造。

图5 通风计算网络（现结构计算结果）

图6 各部分的风速（现结构计算结果）

4 结论

本文以国内某水电厂为例，对水轮发电机定子改造的必要性和可行性进行了分析和计算，主要得出以下结论：

（1）水轮发电机定子长期运行时受到电、热、机械应力的作用以及环境因素的影响，出现了各种老化症状，有必要进行改造。经过全面的分析比较，确定如下方案：定子绕组、定子铁心和定子机座全部更换，工地现场整圆叠片下线。

（2）改造后机组的电磁参数得到了较大改善。直轴瞬变电抗对电力系统的稳定性有较大影响，其值越小，动态稳定极限越大，瞬变电压变化率越小，各厂提供的改造后机组直轴瞬变电抗均小于改造前；短路比越大，电机的稳定性能越好，直轴同步电抗变小,发电机的过载能力变大，负载电流引起端电压变化较小。

（3）利用ANSYS有限元分析软件建立水轮发电机定子机座有限元模型，进行了各工况下定子的总体VON MISES应力分布和总体变形分布的计算和分析，确定定子机座满足强度的要求。

（4）通风计算表明，实测风量高于需要值，下风路的冷却条件不理想，在改造过程中应着重考虑目前存在的问题，从结构优化和控制风量及风量的分配方面来进行水轮发电机的改造。建议采用同一种形式换热效果好、风阻小的冷却器，使发电机周向的温度分布更均匀。

[1]G.C. Stone, J. Kapler, J. Stein. Experience with Turbine Generator Life Cycle Management Process[C]. SC A1 Colloquium On New Development of Rotating Electrical Machines, Beijing, 2011.

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[3] 李志红, 刘德辉, 陈智云. 江口水电厂2#机组增容改造的研究与实施[J]. 大电机技术, 2006, (6).

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[6] Y.DEGUSAROV, V.SHKOLNIK. Experience of Long Operated Hydrogenerator Refurbishment and Reconstruction[C]// CIGRE Session 2016.

[7] 关玉薇, 张连彬, 等. 大型水轮发电机环氧粉云母绝缘的老化诊断和寿命预测[J]. 大电机技术, 1998(2).

[8] 刘公直，韩祖荫.刘家峡水电厂2#机组水轮发电机改造增容成功[J]. 大电机技术, 1995(1).

[9] GB/T7894-2009, 水轮发电机基本技术条件[S].

Analysis and Calculation for the Retrofit of a Hydrogenerator Stator

ZENG Xuyao1, LI Zhen2, LIU Shize1, FENG Xueping1, CHANG Zhaohui1, QIN Guangyu3

(1. Liujiaxia Hydro Power Station, Yongjing 731600, China; 2. Huanglongtan HydropowerPlant of State Grid Hubei Electric Power Company, Shiyan 442000, China;3. State Key Laboratory of Hydropower Equipment(HILEM), Harbin 150040, China)

Large hydrogenerators will become deteriorated during operation under electrical, thermal, electrical stresses and environmental factors. In China, many units are in service beyond their life time limits, which is a threaten to the generator and the whole power system if they are not changed or renewed. This paper, taking a 43-years old generator as an example, studied the problems with the stator, carried out some calculations of the parameters, demonstrates the feasibility of retrofit of the stator, and put forward the schemes. It can be a reference for renewal and uprating of similar hydro power stations.

hydrogenerator; stator; retrofit; electromagnetic analysis; force analysis; ventilation calculation

TM312

A

1000-3983(2018)06-0067-06

2018-02-01

曾需要（1972-），1998年毕业于武汉水利电力大学电气工程及其自动化，现从事水电站技术管理和电网运行研究，高级工程师。