水电站发电机分瓣定子结构设计研究

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关键词:发电机;定子机座;定子铁心;定子线棒;中宋水电站

前言

中宋水电站位于越南清化省马河，总装机容量为260MW。该项目是世界银行在越南贷款金额最大的发电项目，也是越南最后一个大中型水电重点项目，除提供电力以外，该项目还将通过大坝的建设来承担防洪、抗旱的任务。东芝水电设备(杭州)有限公司承担了电站4台套单机功率为65MW的混流式水轮发电机组及其附属设备的供货。

1发电机基本参数

1．1发电机基本参数

1．2定子基本参数

2发电机定子整体结构设计

发电机定子是水轮发电机组的核心部件之一，是发电机产生电磁感应，进行机械能与电能转换的主要部件。发电机定子由定子机座、定子铁心、定子绕组、汇流母线、定子基础板及基础螺杆组成［1］。中宋水电站发电机为立轴半伞式、密闭自循环空气冷却的三相凸极同步发电机。根据电磁设计尺寸及运输条件的限制，定子采用分瓣结构，在厂内叠片下线后，分3瓣运输到现场，在现场整体组圆后再下合缝面位置的线棒。定子结构示意图见图1。

2．1定子机座

发电机为半伞式结构，因此定子机座部件除了用来固定定子铁心，同时其机座顶上还要支撑上机架，也要求机座能够承受定子绕组短路时产生的切向力和半数磁极短路时产生的单边磁拉力，同时还要承受各种运行工况下的热膨胀力［2］，分瓣定子机座还要承受储存、运输及吊装时所引起的应力以防止产生有害的变形。所以定子机座轴向和径向都要有足够的强度和刚度以确保机组的稳定运行。定子机座设有顶环板、上环板、中环板及下环板。下环板采用大齿压板的结构，为降低端部漏磁引起的涡流损耗及发热，大齿压板内径侧按槽数加工凹槽使其成锯齿的形状。在穿过中间环板沿圆周等间距分布并与鸽尾筋相对应的位置设置支撑钢管，并在定子机座环板空冷器开孔的位置设置加强筋来提高定子机座的整体刚度。根据定子通风冷却要求，在定子机座下环板和顶环板与上环板中间的侧板上均设有大小不一的通风孔。定子下环板底部设置了6块定子基础板，并由螺栓与定子基础板连接，定子机座与定子基础板间通过径向销定位，允许定子机座在运行受热时能保持同心条件下径向自由膨胀，并在定子机座外径侧设置挡块将定子机座自由移动的值控制在合理范围内［3］。由于发电机定子是在工厂进行装压铁心、下线的分瓣定子结构，所以定子机座合缝面采用大合缝板把合，可增强定子机座的整体强度和刚度。分瓣定子在现场通过合缝板、合缝螺栓将定子把合为一体。为了使定子机座现场把合时能够快速、精准地找到定子铁心在厂内叠片时的位置，在每对合缝板上设有1处轴向及2处径向直径为30mm的定位销。这样定子机座在工厂内完成所有焊接加工，分3瓣运至现场，在现场无需做结构性的焊接，仅用合缝面连接螺栓把合成整体即可。在定子机座靠近合缝板两端和每瓣机座中心的上部设有Φ140mm的起吊柱，用于分瓣定子的翻身和吊装。

2．2定子铁心

发电机定子铁心内径为7600mm，外径为8380mm，铁心长1200mm。整圆由多张冲片组成，为了避免定子冲片的接缝集中在一处，造成不必要的附加气隙而影响电磁性能，叠片时采用一片一叠，1/2搭叠方式叠装于3分瓣的定子机座上。合缝面两侧定子冲片间的设计间隙为0，其余冲片之间的间隙为0．8mm。定子冲片是由厚度为0．5mm低损耗、无磁时效、无取向、优质冷轧高磁导率的硅钢片50W270冲制而成。冲片表面均匀涂覆固化时间短、收缩率小、硬度高的F级绝缘漆来有效防止片间短路。定子冲片在左侧设有半径为3mm的半圆作为标记来分辨冲片的正反面，这样可以避免冲片上可能残留的毛刺相接而发生片间短路。为了满足通风要求，定子铁心在高度方向分为n段，设置高度为5mm的通风槽，共有n－1个通风槽。通风槽钢采用非磁性不锈钢材质，对减少通风槽内损耗和发热有很大作用。在铁心的上下两端齿部各设置了两个阶梯段落，不仅可以降低端部漏磁和损耗，还可以防止因叠装引起定子铁心上下端的齿涨。定子铁心固定结构采用通过铁心轭部且分布在同一圆周上的216根穿心螺杆将铁心压紧并固定铁心，每根螺杆上均设有绝缘帽、绝缘套管保护螺杆上的绝缘。下齿压板为大齿压板结构，上齿压板为分块式结构，铁心冲片依靠双鸽尾筋定位。双鸽尾筋通过托块焊接于定子机座环板上。采用合理分布节距的双鸽尾筋结构还可以有效地防止定子铁心因热膨胀而造成定子铁心的翘曲变形［4］。每只穿心螺杆在上齿压板侧设有一组碟形弹簧可防止机组运行后铁心松动。通过设置碟形弹簧的压缩量和拉紧螺杆的伸长量以补偿铁心漆膜的收缩，保证机组长期运行而铁心不松动。

2．3定子绕组及汇流母线

定子绕组为双层条式波绕组，两支路星形连接。绕组绝缘等级F级，线棒主绝缘采用VPR即真空液压多胶绝缘成形工艺。定子线棒槽部采用360°罗贝尔换位，以减少线棒股间环流及其损耗。为消除电晕现象，在定子线棒槽部、出槽口及弯曲过渡部分均作了防晕处理。在双层线棒中间及铁心背部均设置了测温电阻，可在机组运行过程中监测绕组及铁心的温度。上下层线棒端头通过连接片焊接的方式连接，端头绝缘采用绝缘盒结构。楔形配对槽楔、波纹板将定子线棒牢牢地楔紧在线棒槽内。定子线棒两端固定在非磁性不锈钢且整体绝缘后的端箍上，端箍通过支架支撑于上下齿压板上。端箍将承受来自线棒端部的径向力，以防止突然短路电磁力引起线棒端部的变形和破坏。为了防止在机组长期运行后定子线棒下沉，在定子线棒上端出口的斜边处，每隔一槽设置一处共144块线棒止沉块，并绑在线棒上。除定子合缝面的线棒外，其余线棒均在厂内完成下线，既保证了线棒组装质量，又缩短了现场定子组装工期。定子绕组每相采用两支路，三相星形连接。两支路并联后引出到机座外与主引出线、中引出线连接。因定子采用3分瓣结构，为了电站现场组装的方便，在定子绕组接线设计和分瓣位置的设置和结构上，经过针对性的设计研讨和优化，与常规的汇流母线分布在定子整圈或约半圈不同，特意将汇流母线和主引出线、中引出线位置均布置在同一分瓣定子上，所以汇流母线和引出线的组装均可以在厂内完整地完成，确保了定子组装质量并缩短现场组装工期。

3现场组装安装与试验

定子分3瓣运至现场，因分瓣定子在现场组圆后需完成合缝面定子线棒的下线工作，同时考虑现场的场地和安装工期，不是采用常规的在安装场组圆后吊入机坑的方式，而是将各分瓣定子直接吊入机坑后组圆再下线，见图2。同时在分瓣定子吊入机坑前将定子基础板与机座组装好，与分瓣定子同时吊入机坑，这样的定子组装方式不占用安装场地，并有效缩短了总体组装和安装工期。这种组装安装方式可以在安装场地有限、工期要求短的电站工程中应用［5］。分瓣定子组合前应确认定子机座各部位防锈漆层是否有损伤，定子铁心合缝面位置是否有变形或非对齐现象，再将分瓣定子调整到位后进行组圆［6］，见图3。分瓣定子及现场所需下线的定子线棒在现场下线工作开始前及下线后均要根据设计要求和安装技术规范进行相关的耐压试验，耐压试验通过并确认图3分瓣定子机坑内组圆现场图没有问题后方可进行合缝面位置定子线棒的各分步下线工作。

4结语

越南中宋水电站4台机组于2017年7月已全部投入商业运行，各机组运行状况良好。发电机定子所采用的分瓣结构形式获得安装单位和业主的很好认可。该分瓣定子结构的许多特殊处理方式，也为今后类似发电机组分瓣定子结构设计、制造、安装提供借鉴。

参考文献:

［1］陈锡芳．水轮发电机结构运行监测与维修［M］．北京:中国水利水电出版社，2008．

［2］白延年．水轮发电机设计与计算［M］．北京:机械工业出版社，1982．

［3］管亚军，王辉．观音岩水电站发电机定子设计浅析［J］．红水河，2018(4):24－26．

［4］陈珊英，吴金水，黄小红．零间隙双鸽尾筋结构下的大型发电机定子铁心叠压［J］．大电机技术，2014(5):28－30．

［5］孙辉．加蓬大布巴哈水电站分瓣定子设计［C］//中国水力发电工程学会．“一带一路”与中国水电设备2018年中国水力发电工程学会水力机械专业委员会信息网技术交流会论文集．北京:中国水利水电出版社，2018:188－191．

［6］GB/T8564－2003，水轮发电机组安装技术规范［S］．

作者：矣兰 单位：东芝水电设备有限公司