水電站發(fā)電機分瓣定子結構設計研究

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關鍵詞:發(fā)電機;定子機座;定子鐵心;定子線棒;中宋水電站

前言

中宋水電站位于越南清化省馬河，總裝機容量為260MW。該項目是世界銀行在越南貸款金額最大的發(fā)電項目，也是越南最后一個大中型水電重點項目，除提供電力以外，該項目還將通過大壩的建設來承擔防洪、抗旱的任務。東芝水電設備(杭州)有限公司承擔了電站4臺套單機功率為65MW的混流式水輪發(fā)電機組及其附屬設備的供貨。

1發(fā)電機基本參數(shù)

1．1發(fā)電機基本參數(shù)

1．2定子基本參數(shù)

2發(fā)電機定子整體結構設計

發(fā)電機定子是水輪發(fā)電機組的核心部件之一，是發(fā)電機產(chǎn)生電磁感應，進行機械能與電能轉(zhuǎn)換的主要部件。發(fā)電機定子由定子機座、定子鐵心、定子繞組、匯流母線、定子基礎板及基礎螺桿組成［1］。中宋水電站發(fā)電機為立軸半傘式、密閉自循環(huán)空氣冷卻的三相凸極同步發(fā)電機。根據(jù)電磁設計尺寸及運輸條件的限制，定子采用分瓣結構，在廠內(nèi)疊片下線后，分3瓣運輸?shù)浆F(xiàn)場，在現(xiàn)場整體組圓后再下合縫面位置的線棒。定子結構示意圖見圖1。

2．1定子機座

發(fā)電機為半傘式結構，因此定子機座部件除了用來固定定子鐵心，同時其機座頂上還要支撐上機架，也要求機座能夠承受定子繞組短路時產(chǎn)生的切向力和半數(shù)磁極短路時產(chǎn)生的單邊磁拉力，同時還要承受各種運行工況下的熱膨脹力［2］，分瓣定子機座還要承受儲存、運輸及吊裝時所引起的應力以防止產(chǎn)生有害的變形。所以定子機座軸向和徑向都要有足夠的強度和剛度以確保機組的穩(wěn)定運行。定子機座設有頂環(huán)板、上環(huán)板、中環(huán)板及下環(huán)板。下環(huán)板采用大齒壓板的結構，為降低端部漏磁引起的渦流損耗及發(fā)熱，大齒壓板內(nèi)徑側按槽數(shù)加工凹槽使其成鋸齒的形狀。在穿過中間環(huán)板沿圓周等間距分布并與鴿尾筋相對應的位置設置支撐鋼管，并在定子機座環(huán)板空冷器開孔的位置設置加強筋來提高定子機座的整體剛度。根據(jù)定子通風冷卻要求，在定子機座下環(huán)板和頂環(huán)板與上環(huán)板中間的側板上均設有大小不一的通風孔。定子下環(huán)板底部設置了6塊定子基礎板，并由螺栓與定子基礎板連接，定子機座與定子基礎板間通過徑向銷定位，允許定子機座在運行受熱時能保持同心條件下徑向自由膨脹，并在定子機座外徑側設置擋塊將定子機座自由移動的值控制在合理范圍內(nèi)［3］。由于發(fā)電機定子是在工廠進行裝壓鐵心、下線的分瓣定子結構，所以定子機座合縫面采用大合縫板把合，可增強定子機座的整體強度和剛度。分瓣定子在現(xiàn)場通過合縫板、合縫螺栓將定子把合為一體。為了使定子機座現(xiàn)場把合時能夠快速、精準地找到定子鐵心在廠內(nèi)疊片時的位置，在每對合縫板上設有1處軸向及2處徑向直徑為30mm的定位銷。這樣定子機座在工廠內(nèi)完成所有焊接加工，分3瓣運至現(xiàn)場，在現(xiàn)場無需做結構性的焊接，僅用合縫面連接螺栓把合成整體即可。在定子機座靠近合縫板兩端和每瓣機座中心的上部設有Φ140mm的起吊柱，用于分瓣定子的翻身和吊裝。

2．2定子鐵心

發(fā)電機定子鐵心內(nèi)徑為7600mm，外徑為8380mm，鐵心長1200mm。整圓由多張沖片組成，為了避免定子沖片的接縫集中在一處，造成不必要的附加氣隙而影響電磁性能，疊片時采用一片一疊，1/2搭疊方式疊裝于3分瓣的定子機座上。合縫面兩側定子沖片間的設計間隙為0，其余沖片之間的間隙為0．8mm。定子沖片是由厚度為0．5mm低損耗、無磁時效、無取向、優(yōu)質(zhì)冷軋高磁導率的硅鋼片50W270沖制而成。沖片表面均勻涂覆固化時間短、收縮率小、硬度高的F級絕緣漆來有效防止片間短路。定子沖片在左側設有半徑為3mm的半圓作為標記來分辨沖片的正反面，這樣可以避免沖片上可能殘留的毛刺相接而發(fā)生片間短路。為了滿足通風要求，定子鐵心在高度方向分為n段，設置高度為5mm的通風槽，共有n－1個通風槽。通風槽鋼采用非磁性不銹鋼材質(zhì)，對減少通風槽內(nèi)損耗和發(fā)熱有很大作用。在鐵心的上下兩端齒部各設置了兩個階梯段落，不僅可以降低端部漏磁和損耗，還可以防止因疊裝引起定子鐵心上下端的齒漲。定子鐵心固定結構采用通過鐵心軛部且分布在同一圓周上的216根穿心螺桿將鐵心壓緊并固定鐵心，每根螺桿上均設有絕緣帽、絕緣套管保護螺桿上的絕緣。下齒壓板為大齒壓板結構，上齒壓板為分塊式結構，鐵心沖片依靠雙鴿尾筋定位。雙鴿尾筋通過托塊焊接于定子機座環(huán)板上。采用合理分布節(jié)距的雙鴿尾筋結構還可以有效地防止定子鐵心因熱膨脹而造成定子鐵心的翹曲變形［4］。每只穿心螺桿在上齒壓板側設有一組碟形彈簧可防止機組運行后鐵心松動。通過設置碟形彈簧的壓縮量和拉緊螺桿的伸長量以補償鐵心漆膜的收縮，保證機組長期運行而鐵心不松動。

2．3定子繞組及匯流母線

定子繞組為雙層條式波繞組，兩支路星形連接。繞組絕緣等級F級，線棒主絕緣采用VPR即真空液壓多膠絕緣成形工藝。定子線棒槽部采用360°羅貝爾換位，以減少線棒股間環(huán)流及其損耗。為消除電暈現(xiàn)象，在定子線棒槽部、出槽口及彎曲過渡部分均作了防暈處理。在雙層線棒中間及鐵心背部均設置了測溫電阻，可在機組運行過程中監(jiān)測繞組及鐵心的溫度。上下層線棒端頭通過連接片焊接的方式連接，端頭絕緣采用絕緣盒結構。楔形配對槽楔、波紋板將定子線棒牢牢地楔緊在線棒槽內(nèi)。定子線棒兩端固定在非磁性不銹鋼且整體絕緣后的端箍上，端箍通過支架支撐于上下齒壓板上。端箍將承受來自線棒端部的徑向力，以防止突然短路電磁力引起線棒端部的變形和破壞。為了防止在機組長期運行后定子線棒下沉，在定子線棒上端出口的斜邊處，每隔一槽設置一處共144塊線棒止沉塊，并綁在線棒上。除定子合縫面的線棒外，其余線棒均在廠內(nèi)完成下線，既保證了線棒組裝質(zhì)量，又縮短了現(xiàn)場定子組裝工期。定子繞組每相采用兩支路，三相星形連接。兩支路并聯(lián)后引出到機座外與主引出線、中引出線連接。因定子采用3分瓣結構，為了電站現(xiàn)場組裝的方便，在定子繞組接線設計和分瓣位置的設置和結構上，經(jīng)過針對性的設計研討和優(yōu)化，與常規(guī)的匯流母線分布在定子整圈或約半圈不同，特意將匯流母線和主引出線、中引出線位置均布置在同一分瓣定子上，所以匯流母線和引出線的組裝均可以在廠內(nèi)完整地完成，確保了定子組裝質(zhì)量并縮短現(xiàn)場組裝工期。

3現(xiàn)場組裝安裝與試驗

定子分3瓣運至現(xiàn)場，因分瓣定子在現(xiàn)場組圓后需完成合縫面定子線棒的下線工作，同時考慮現(xiàn)場的場地和安裝工期，不是采用常規(guī)的在安裝場組圓后吊入機坑的方式，而是將各分瓣定子直接吊入機坑后組圓再下線，見圖2。同時在分瓣定子吊入機坑前將定子基礎板與機座組裝好，與分瓣定子同時吊入機坑，這樣的定子組裝方式不占用安裝場地，并有效縮短了總體組裝和安裝工期。這種組裝安裝方式可以在安裝場地有限、工期要求短的電站工程中應用［5］。分瓣定子組合前應確認定子機座各部位防銹漆層是否有損傷，定子鐵心合縫面位置是否有變形或非對齊現(xiàn)象，再將分瓣定子調(diào)整到位后進行組圓［6］，見圖3。分瓣定子及現(xiàn)場所需下線的定子線棒在現(xiàn)場下線工作開始前及下線后均要根據(jù)設計要求和安裝技術規(guī)范進行相關的耐壓試驗，耐壓試驗通過并確認圖3分瓣定子機坑內(nèi)組圓現(xiàn)場圖沒有問題后方可進行合縫面位置定子線棒的各分步下線工作。

4結語

越南中宋水電站4臺機組于2017年7月已全部投入商業(yè)運行，各機組運行狀況良好。發(fā)電機定子所采用的分瓣結構形式獲得安裝單位和業(yè)主的很好認可。該分瓣定子結構的許多特殊處理方式，也為今后類似發(fā)電機組分瓣定子結構設計、制造、安裝提供借鑒。

參考文獻:

［1］陳錫芳．水輪發(fā)電機結構運行監(jiān)測與維修［M］．北京:中國水利水電出版社，2008．

［2］白延年．水輪發(fā)電機設計與計算［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1982．

［3］管亞軍，王輝．觀音巖水電站發(fā)電機定子設計淺析［J］．紅水河，2018(4):24－26．

［4］陳珊英，吳金水，黃小紅．零間隙雙鴿尾筋結構下的大型發(fā)電機定子鐵心疊壓［J］．大電機技術，2014(5):28－30．

［5］孫輝．加蓬大布巴哈水電站分瓣定子設計［C］//中國水力發(fā)電工程學會．“一帶一路”與中國水電設備2018年中國水力發(fā)電工程學會水力機械專業(yè)委員會信息網(wǎng)技術交流會論文集．北京:中國水利水電出版社，2018:188－191．

［6］GB/T8564－2003，水輪發(fā)電機組安裝技術規(guī)范［S］．

作者：矣蘭 單位：東芝水電設備有限公司