抱子石水电厂1 号机定子改造技术

宋和斌，祝初等，幸 波

（江西赣能股份有限公司抱子石水电厂，江西 九江 332400）

1 电站概况

抱子石水电站位于江西省修水县城下游，是修河干流10 个梯级电站中的第6 个梯级电站。电站安装两台灯泡贯流式水轮发电机组，总装机2×20 MW。电站两台机组分别于2004 年2 月、6月相继投产发电。

发电机定子机座采用整圆结构，由钢板焊接而成。定子铁心为贴壁式，无径向通风沟，采用优质低损耗硅钢片叠压而成。改造前发电机基本参数如表1 所示。

表1 改造前发电机基本参数

2 存在的问题

抱子石电站1 号机自2004 年投产以来一直存在着定子温升偏高的问题。虽对通风系统进行了多次改造，发电机的运行条件有所改善，但因未对定子做结构性的改造，定子运行温度偏高、定子铁心松动等问题一直未能得到彻底解决。

2.1 定子温度偏高

改造前抱子石电站1 号机带17 MW 有功时，定子最高运行温度超过120 ℃。为确保发电机安全稳定运行，发电机不得不长期限负荷运行。

2.2 定子铁心松动

经过近20 年的运行，抱子石电站1 号机出现了大面积的定子铁心松动。还曾由于定子铁心松动磨损了线棒端部，引起了定子一点接地故障的发生。

图1 定子一点接地故障现场照片

2.3 空气冷却器换热容量小

发电机采用密闭强迫通风系统，在定子上游侧设有6 个空气冷却器用于带走发电机内部产生的大部分热量。由于空气冷却器换热容量较小，使得发电机散热能力不足。

3 原因分析

3.1 定子温度偏高原因分析

（1）电磁设计方面

分析改造前发电机的基本参数可知，原发电机电磁设计时选取了较高的热负荷、电密以及定子温升等参数，选择较高的电负荷水平虽然可以减少有效材料的用量，但也会使定子产热增加，引起定子温升偏高。

（2）散热方面

抱子石电站发电机为贴壁灯泡贯流式水轮发电机，机组产生的热量主要是通过定子机座壁和通风冷却系统带走。

由于贴壁式机组实际运行时散热能力受到机座与铁心贴合程度的影响，机座壁的散热能力往往达不到理想值。若机座壁散热能力不佳，多余的热量只能通过通风系统带走，从而增加通风系统散热负荷。若风机风量或空冷器换热容量余量不足，热量会在发电机内部累积使其环境温度升高，从而引起定子温升偏高。

3.2 定子铁心松动原因分析

（1）定子温度偏高

由于定子运行温度过高，定子铁心热膨胀后受轴向应力作用产生翘曲变形。发电机启停以及负载变化使定子铁心温度发生冷热交替，长期多次的热胀冷缩引起铁心松动[1]。

（2）定子铁心压紧方式不可靠

抱子石电站机组定子铁心采用焊接齿压板压紧结构，该铁心压紧方式无弹性储备。发电机经过一段时间运行以后，定子冲片表面漆膜收缩、冷热态交替以及铁心在工作状态下的正常或异常振动等原因均会引起定子铁心松动。

4 解决措施

4.1 优化电磁设计

由于改造前机组电磁设计时选取的热负荷、电密以及定子设计温升等参数较高，制定的改造方案需要增加有效材料的用量，以降低定子电密和热负荷，从而降低定子最高温升。

4.2 选择更加可靠的发电机贴壁技术

贴壁贯流机组定子铁心背部与机座间隙的处理对定子温升影响很大。抱子石1 号机定子改造采用了导热胶贴壁技术，该导热胶具有传热能力强、富有弹性、流动性好、抗老化性强等特点。

导热胶在定子铁心压紧后灌注，因此可以弥补机座加工偏差和定子的起吊变形，确保导热胶与机座、铁心间接触良好，从而有效地将发电机定子产生的热量导出。

4.3 定子线棒绝缘系统优化

抱子石电站1 号机定子线棒采用VPI 绝缘结构。该绝缘结构：一方面具有更低的介质损耗增量，更高的击穿场强，更高的耐电、热老化寿命；另一方面，与改造前多胶模压线棒相比，绝缘厚度更薄，能够进一步提高槽内绝缘传热性能，有利于将热量传递给铁心，降低线棒温度。

4.4 采用小于360°换位技术

发电机的定子线棒是由多股线在两端并联组成。定子线棒处在电机槽部和端部十分复杂的漏磁场中，为了减少并联股线的环流损耗，改善线棒内股线温度的分布[2]，抱子石电站1 号机采用小于360°的换位方式。

图2 定子线棒股线换位

采用小于360°的换位方式，能有效减少由于端部漏磁而在定子线棒中产生的附加环流，使股线间温度均匀，降低线圈股线温差，从而降低线圈最大温升，改善绝缘老化，延长线圈寿命，并减小附加损耗。

4.5 提高空气冷却器的换热容量

发电机的大部分热量通过通风冷却系统带走，为了提高发电机通风系统的散热能力，需要提高空气冷却器的换热容量。

4.6 优化定子铁心压紧方式

定子铁心的压紧采用穿心螺杆+碟簧的固定方式。由于碟簧具有足够的弹性储备，发电机长期运行铁心发生收缩时，碟簧的压缩量将会补偿穿心螺杆的伸长量，使定子铁心仍然能够维持足够的压紧力，以保证定子铁心长期运行后不松动[3]。

图3 改造后定子铁心压紧结构

在工艺措施方面，为了保证定子铁心的压紧质量，抱子石1 号机铁心叠片时采用分段压紧的方式，并在铁损试验后再次压紧。

此外，抱子石1 号机定子铁心端部采用粘胶片结构，加强了铁心端部的整体性[4]。铁心采用浮动鸽尾定位筋结构，能够适应铁心热膨胀，消除了热膨胀的内应力，防止铁心翘曲变形。

5 改造效果

2023 年1 月，抱子石电站1 号机定子及其辅助部件改造完成并顺利投入商业运行。发电机通风温升试验结果如表2 所示。

表2 电站1 号机定子改造前后定转子温升对比

由发电机温升试验数据可知：

（1）电站1 号发电机在额定容量、额定电压、额定功率因数运行至热稳定时，定子线圈最高温升为52.3 K，较改造前的98.6 K 温升降低了46.3 K。

（2）电站1 号发电机在额定容量、额定电压、额定功率因数运行至热稳定时，转子线圈平均温升48 K，较改造前的56 K 降低了8 K。

改造后的发电机定子温度显著降低，解决了定子铁心松动的问题，达到了改造的预期目标。该机组的成功改造经验，为后续同类型水轮发电机定子改造提供了宝贵借鉴。