浅析某FPSO船用发电机定转子绕组大修

冯俊岩，廖剑锋，姜荦荦，刘 孟

（深圳海油工程水下技术有限公司，广东深圳 518067）

0 引言

某FPSO原为运输油轮，始建于1975年。1995年在新加坡进行升级改造为1艘140 000吨级具备原油处理、储存及外输能力的储油轮，自1996年开始服役于南海某作业区油田至今。船上3台发电机设备经长期运行后，设备老化严重，且从未进行过大修，如若继续长期使用将存在较大隐患。在近年的各项检验中亦发现了较多影响安全生产的问题，因此某作业区决定对发电机进行大修。

1 发电机基本情况

1）发电机主要参数：品牌型号：HFJ5-714-14E；额定功率2 250 kVA；额定电压450 V；额定电流2 885.7 A；额定转速720 r/min；功率因数0.8；频率60 Hz；相数为3；接线形式为Y型；绝缘等级F；励磁电压85 V；励磁电流8 A；发电机制造厂为韩国HYUNDAI；生产日期为1994年12月；设备重量11 200 kg；设备编号94EWDH423。

2）发电机主要结构：发电机由定子、转子、端盖及轴承、油密封装置、轴瓦、冷却器、励磁机、永磁机、旋转整流器及其外罩、出线盒和内部监测系统等部件组成。该发电机为三相交流隐极式同步发电机。发电机采用整体全封闭，空气内循环，利用水冷却器的冷却方式[1]。

2 发电机进厂检查

在船厂期间对发电机的底座螺栓、联轴器、飞轮盘、冷却管线、滑油管线等设施先行拆除，再逐一对3台发电机进行吊装出仓作业，顺利装车后送至维修厂。发电机拆除及吊装工作前要做好施工方案和作业前工作风险分析（Job Safety Analysis，JSA），确保发电机安全拆除，顺利抵达维修厂。发电机进厂后进行解体检查，需要拆除端盖、轴瓦、内部电流互感器、电压互感器等设备，并且抽出转子。转子抽出过程需小心谨慎作业，保证转子不受损伤。下文对其中1台发电机的大修过程进行简单介绍。

1）对已经解体的发电机的定子和转子绕组分别进行直流电阻检测，现场采用上海双特电工品牌的QJ44型携带式直流双臂电桥测量[2]。

定子绕组相电阻的测量结果分别为：R11＝0.000 678 7 Ω；R12＝0.000 676 1 Ω；R13＝0.000 676 7 Ω。平均值R1＝（R11＋R12＋R13）/3＝0.000 677 1 Ω。相对误差△R＝[（Rmax－Rmin）/R1]100%＝0.38%。

根据GB 50150—2016《电气设备试验方法》，相互间差别不应超过其最小值的2%为合格。转子绕组相电阻的测量结果为：0.006 652 Ω。

2）对发电机的定子和转子绕组分别进行绝缘电阻检测，现场采用FLUKE品牌的PC27-5G型绝缘电阻测试仪器，测量时打到1 000 V档位。

在耐压试验前定子绕组绝缘电阻的测量结果如表1所示。

表1 定子绕组绝缘电阻测量值和吸收比计算值

根据GB 50150—2016《电气设备试验方法》，吸收比该值大于1.3或1.2为合格。

转子绕组绝缘电阻的测量结果为：55 MΩ。

3）对发电机的定子和转子绕组分别进行耐压试验，现场采用上海徐吉电气品牌的YD-30KVA型交流耐压试验变压器，试验电压按照GB 50150—2016《电气设备试验方法》规定选取。

定子绕组交流耐压试验的试验电压为1 520 V，试验时间为1 min。

试验结果为：U相通过；V相击穿；W相通过。因此试验结果不合格，需要重新更换定子绕组。

转子绕组交流耐压试验的试验电压取1 500 V，试验时间为1 min。试验结果为：一相击穿。因此试验结果不合格，也需要重新更换转子绕组[3]。

3 发电机维修过程

发电机解体检查的结果显示，定子和转子绕组都出现了绝缘性能低，绕组被击穿的现象。考虑到发电机为关键设备，船舶后续的生产和生活都需要稳定且连续的电源供应，因此业主决定重新制作并更换全部绕组[4]。

按照旧发电机原有的绕组技术数据重新更换新绕组，可以保证发电机性能和原有性能相近。但是由于原有发电机老旧，年代久远，原始数据丢失，因此只能先对旧发电机进行基础测量，然后对基础数据计算分析后得到绕组技术参数，最后按照绕组技术参数进行发电机绕组大修。但随着现代材料和工艺的发展，如果原工艺参数有可以优化的空间，还需对原有数据进行分析，改善原有参数，使之更加稳定可靠。

4.1 发电机定子绕组大修过程：

1）首先记录定子绕组原始数据：铁芯外径Da＝1 120 mm，铁芯内径Di＝880 mm，铁芯长度Lt＝780 mm（8 mm风道16个），铁芯槽宽bn＝8.50 mm，铁芯槽深hn＝61.0 mm（楔下57.5mm），定子槽数Z＝150个。绕组参数：极数2p＝10；每极每相槽数q＝5；节距Y＝10(即1～11)；并联路数a＝10Y；电磁线规格为3-3.65×6.50FMB-40聚酯薄膜单面补强云母带绕包线；线圈匝数2；线圈长度为直线850 mm，总长1 165 mm；槽内填充参数：槽底1 mm、层间5 mm、槽楔3 mm[5]。

2）对原有数据进行分析，并做电磁计算：

每只线圈导线总截面＝导线数量×导线面积：S＝22.86 mm2，r＝1.0。电流密度＝相电流/回路数/导线总截面：J＝4.209 2 A/mm2。线负荷＝[相电流/回路数]×[匝数×层数×槽数]/圆周长：A＝626.50 A/cm。热负荷=线负荷×电流密度：AJ＝2 637.06，对于冷却方式IC86W37可行。短距比：0.666 7，对于10极电机，此短距比偏小。

电磁线绝缘型号为FMB-40/155，此型号云母带绕包线国内生产很少，仅常熟电磁线厂试制过，击穿电压10 A、弯曲 4 000 V。上海申茂电磁线厂只有FMB-50/155，FMB-40/155的2种型号，未查询到相关介绍。而且FMB-**/155的工艺性比较差，绕线或涨型时容易受损伤[6]。

3）新线圈设计：采用铜扁线，因为原有绕组线圈主绝缘太薄，容易受损伤，且原电机就是耐压击穿的，因此，对于新线圈的主绝缘要予以加厚, 并对线规予以调整，改为：3.90×6.10S＝22.930 mm2＞22.866 mm2，绝缘型号采用SBMYFB-32/180-1N型0.035 mm单面胶复合薄膜2/3叠包1层，加单层玻璃丝包绕，H级漆，自粘，击穿电压4a弯曲6 000 V。

绝缘导线A＝4.22 mm；B＝6.40 mm；主绝缘前宽度6.50 mm；高度25.50 mm；线圈主绝缘厚度1.65 mm；线圈主绝缘后宽度8.15 mm；高度27.15 mm；嵌线间隙宽度0.35 mm；高度楔下0.20 mm。

4）新线圈需进行试验：对匝间绝缘进行可靠性评估，通过计算合理选择冲击电压。线圈的绝缘结构也需进行验证，在缠绕过云母带后进行击穿电压试验，评估线圈绝缘水平。

5）铁芯温升试验：按照DL/T 596—2015《电力设备预防性试验规程》规定，铁心温度最高点的温升不超过25 K，温差不超过15 K。

6）线圈嵌入后的半成品试验：在定子绕组浸漆前，需要进行单定子短路试验和接线相序测试，以确保绕组在通额定电流下，短路电压在规定的范围内，且三相电流平衡，相序正确，绕组接线无误。

7）铁芯和绕组各项检测数据合格后，对定子整体进行真空压力浸漆。浸漆前和浸漆后均要进行绝缘检测，记录检测数据，评估检测数据是否合规。浸漆后应进行交流和直流耐压试验，试验后还需重新测量绝缘电阻并计算吸收比，所有数据均应在标准范围内，以确保定子绕组维修质量。

4.2 发电机转子绕组大修过程

1）首先测绘转子绕组原始数据，包括：转子外径、转子铁芯长度、每极线圈数、槽数、槽尺寸、绕组直流电阻、线圈交流阻抗等数据，以此为依据，核算转子电磁参数。选用优质漆包圆铜线，根据重新选用的线规、匝数、绝缘厚度、导线并绕根数，重新制作并缠绕转子绕组。

2）转子线圈重新绕制过程，在不同阶段要进行半成品、成品相关的试验，用以验证绕组的可靠性和安全性。先进行单组线圈检查和试验, 主要包括：直流电阻测量、绝缘电阻测量、交流阻抗测量、交流耐压试验和匝间电压冲击等。试验结果合格后，再进行线圈连接后的各项检查和试验，主要包括：直流电阻测量、绝缘电阻测量、各磁极线圈交流压降分布、直流压降分布和极性检查等，试验结果同样都要符合标准规定。

3）转子绕组各项试验数据均合格后，接下来要进行转子真空压力浸漆工序。浸漆前后都要进行绝缘电阻检测。如各项数据正常，浸漆后还需进行交流耐压试验，试验数据要符合标准规定，所有数据均在标准范围内，以确保转子绕组维修质量。

4）完成转子绕组维修后，需要装配所有附件，进行转子动平衡调校。根据相关国家标准，根据转子重量、发电机额定转速，确定动平衡品质要求，调校后应达到G1.0或G2.5标准[7]。

5 发电机修后试验

发电机重新更换绕组，并完成定转子部件组装后，在维修厂内需进行必要的机械构件检查，如：滚动轴承或滑动轴承装配、发电机附件装配等。各项装配数据合规后，需进行空载运行试验、1.3Un电压试验、定子绕组短路温升试验、1.2ne超速试验以及不同工况下的振动和噪声检测。完成上述测试项后，可确认发电机大修初步完成。发电机出厂回船复原安装后，要进行最后一步负载试验，以验证大修后发电机性能是否满足使用要求。负载试验宜采用外部干式负载箱进行。负载箱的选用要根据发电机的电压、频率及容量来选择[8-9]。负载箱的接线要尽量减少接线次数，以便能将3台发电机依次分别完成单机负载试验、两两并车试验及3台并车试验。按照船级社的规范要求，可以按照25%、50%、75%这3个阶段进行加负载试验。如各个阶段试验都通过，再进行负载突增、突减试验，突增和突减的负载大小可根据日常使用情况选择范围，所有试验结果均应达到规范要求。

6 结论

本文从待修发电机的进场检查、新线圈计算、新线圈试验、发电机修后试验这些方面介绍了某FPSO船用发电机的大修过程，重点介绍了发电机绕组修理。因为定转子绕组是非常重要的部件，也是易出现故障的部件，因而发电机大修即主要是对绕组的修理。绕组修理质量的好坏，对发电机的性能有很大的影响。