水電站發(fā)電機(jī)分瓣定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

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關(guān)鍵詞:發(fā)電機(jī);定子機(jī)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(jī)容量為260MW。該項(xiàng)目是世界銀行在越南貸款金額最大的發(fā)電項(xiàng)目，也是越南最后一個(gè)大中型水電重點(diǎn)項(xiàng)目，除提供電力以外，該項(xiàng)目還將通過大壩的建設(shè)來承擔(dān)防洪、抗旱的任務(wù)。東芝水電設(shè)備(杭州)有限公司承擔(dān)了電站4臺(tái)套單機(jī)功率為65MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組及其附屬設(shè)備的供貨。

1發(fā)電機(jī)基本參數(shù)

1．1發(fā)電機(jī)基本參數(shù)

1．2定子基本參數(shù)

2發(fā)電機(jī)定子整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)定子是水輪發(fā)電機(jī)組的核心部件之一，是發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電磁感應(yīng)，進(jìn)行機(jī)械能與電能轉(zhuǎn)換的主要部件。發(fā)電機(jī)定子由定子機(jī)座、定子鐵心、定子繞組、匯流母線、定子基礎(chǔ)板及基礎(chǔ)螺桿組成［1］。中宋水電站發(fā)電機(jī)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(jī)。根據(jù)電磁設(shè)計(jì)尺寸及運(yùn)輸條件的限制，定子采用分瓣結(jié)構(gòu)，在廠內(nèi)疊片下線后，分3瓣運(yùn)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(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

2．1定子機(jī)座

發(fā)電機(jī)為半傘式結(jié)構(gòu)，因此定子機(jī)座部件除了用來固定定子鐵心，同時(shí)其機(jī)座頂上還要支撐上機(jī)架，也要求機(jī)座能夠承受定子繞組短路時(shí)產(chǎn)生的切向力和半數(shù)磁極短路時(shí)產(chǎn)生的單邊磁拉力，同時(shí)還要承受各種運(yùn)行工況下的熱膨脹力［2］，分瓣定子機(jī)座還要承受儲(chǔ)存、運(yùn)輸及吊裝時(shí)所引起的應(yīng)力以防止產(chǎn)生有害的變形。所以定子機(jī)座軸向和徑向都要有足夠的強(qiáng)度和剛度以確保機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。定子機(jī)座設(shè)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(jié)構(gòu)，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(cè)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(duì)應(yīng)的位置設(shè)置支撐鋼管，并在定子機(jī)座環(huán)板空冷器開孔的位置設(shè)置加強(qiáng)筋來提高定子機(jī)座的整體剛度。根據(jù)定子通風(fēng)冷卻要求，在定子機(jī)座下環(huán)板和頂環(huán)板與上環(huán)板中間的側(cè)板上均設(shè)有大小不一的通風(fēng)孔。定子下環(huán)板底部設(shè)置了6塊定子基礎(chǔ)板，并由螺栓與定子基礎(chǔ)板連接，定子機(jī)座與定子基礎(chǔ)板間通過徑向銷定位，允許定子機(jī)座在運(yùn)行受熱時(shí)能保持同心條件下徑向自由膨脹，并在定子機(jī)座外徑側(cè)設(shè)置擋塊將定子機(jī)座自由移動(dòng)的值控制在合理范圍內(nèi)［3］。由于發(fā)電機(jī)定子是在工廠進(jìn)行裝壓鐵心、下線的分瓣定子結(jié)構(gòu)，所以定子機(jī)座合縫面采用大合縫板把合，可增強(qiáng)定子機(jī)座的整體強(qiáng)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(jī)座現(xiàn)場把合時(shí)能夠快速、精準(zhǔn)地找到定子鐵心在廠內(nèi)疊片時(shí)的位置，在每對(duì)合縫板上設(shè)有1處軸向及2處徑向直徑為30mm的定位銷。這樣定子機(jī)座在工廠內(nèi)完成所有焊接加工，分3瓣運(yùn)至現(xiàn)場，在現(xiàn)場無需做結(jié)構(gòu)性的焊接，僅用合縫面連接螺栓把合成整體即可。在定子機(jī)座靠近合縫板兩端和每瓣機(jī)座中心的上部設(shè)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(jī)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(shí)采用一片一疊，1/2搭疊方式疊裝于3分瓣的定子機(jī)座上。合縫面兩側(cè)定子沖片間的設(shè)計(jì)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(shí)效、無取向、優(yōu)質(zhì)冷軋高磁導(dǎo)率的硅鋼片50W270沖制而成。沖片表面均勻涂覆固化時(shí)間短、收縮率小、硬度高的F級(jí)絕緣漆來有效防止片間短路。定子沖片在左側(cè)設(shè)有半徑為3mm的半圓作為標(biāo)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(fēng)要求，定子鐵心在高度方向分為n段，設(shè)置高度為5mm的通風(fēng)槽，共有n－1個(gè)通風(fēng)槽。通風(fēng)槽鋼采用非磁性不銹鋼材質(zhì)，對(duì)減少通風(fēng)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(shè)置了兩個(gè)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(jié)構(gòu)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(shè)有絕緣帽、絕緣套管保護(hù)螺桿上的絕緣。下齒壓板為大齒壓板結(jié)構(gòu)，上齒壓板為分塊式結(jié)構(gòu)，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(jī)座環(huán)板上。采用合理分布節(jié)距的雙鴿尾筋結(jié)構(gòu)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(cè)設(shè)有一組碟形彈簧可防止機(jī)組運(yùn)行后鐵心松動(dòng)。通過設(shè)置碟形彈簧的壓縮量和拉緊螺桿的伸長量以補(bǔ)償鐵心漆膜的收縮，保證機(jī)組長期運(yùn)行而鐵心不松動(dòng)。

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(jí)F級(jí)，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(shè)置了測溫電阻，可在機(jī)組運(yùn)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(jié)構(gòu)。楔形配對(duì)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(jī)組長期運(yùn)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(shè)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(jī)座外與主引出線、中引出線連接。因定子采用3分瓣結(jié)構(gòu)，為了電站現(xiàn)場組裝的方便，在定子繞組接線設(shè)計(jì)和分瓣位置的設(shè)置和結(jié)構(gòu)上，經(jīng)過針對(duì)性的設(shè)計(jì)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(yàn)

定子分3瓣運(yùn)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(shí)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(jī)坑的方式，而是將各分瓣定子直接吊入機(jī)坑后組圓再下線，見圖2。同時(shí)在分瓣定子吊入機(jī)坑前將定子基礎(chǔ)板與機(jī)座組裝好，與分瓣定子同時(shí)吊入機(jī)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(yīng)用［5］。分瓣定子組合前應(yīng)確認(rèn)定子機(jī)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(duì)齊現(xiàn)象，再將分瓣定子調(diào)整到位后進(jìn)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(shè)計(jì)要求和安裝技術(shù)規(guī)范進(jìn)行相關(guān)的耐壓試驗(yàn)，耐壓試驗(yàn)通過并確認(rèn)圖3分瓣定子機(jī)坑內(nèi)組圓現(xiàn)場圖沒有問題后方可進(jìn)行合縫面位置定子線棒的各分步下線工作。

4結(jié)語

越南中宋水電站4臺(tái)機(jī)組于2017年7月已全部投入商業(yè)運(yùn)行，各機(jī)組運(yùn)行狀況良好。發(fā)電機(jī)定子所采用的分瓣結(jié)構(gòu)形式獲得安裝單位和業(yè)主的很好認(rèn)可。該分瓣定子結(jié)構(gòu)的許多特殊處理方式，也為今后類似發(fā)電機(jī)組分瓣定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造、安裝提供借鑒。

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

作者：矣蘭 單位：東芝水電設(shè)備有限公司