丹江口水電廠150MW發(fā)電機增容改造的設(shè)計
丹江口水電廠3#發(fā)電機原型號為TS1280/180-60，單機容量150MW，立軸全傘式結(jié)構(gòu)，采用密閉自循環(huán)空氣冷卻系統(tǒng)，機組1972年5月投入運行，定子線圈為環(huán)氧粉云母B級絕緣。由于發(fā)電機已運行了28年，機組絕緣性能已明顯下降，另外，該機定子鐵芯壓指材料為磁性材料，導(dǎo)致定子鐵芯端部階梯齒及壓指嚴重發(fā)熱，使發(fā)電機達不到設(shè)計出力。隨著水輪機增容改造的進行，發(fā)電機溫度過高的問題將更加突出，成為機組安全運行的重大隱患。所以必須對該發(fā)電機進行技術(shù)改造，要求在保持額定轉(zhuǎn)速和額定電壓不變的情況下，通過技術(shù)改造，使發(fā)電機額定出力達到175MW。改造前后機組主要技術(shù)參數(shù)如下：
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序號 |
參數(shù)名稱 |
單位 |
改造前 |
改造后 |
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1 |
額定容量 |
KVA |
176500 |
205882.4 |
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2 |
額定功率因數(shù)（滯后） |
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0.85 |
0.85 |
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3 |
額定電壓 |
KV |
15.75 |
15.75 |
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4 |
額定電流 |
A |
6480 |
7547 |
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5 |
額定轉(zhuǎn)速 |
r/min |
100 |
100 |
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6 |
飛逸轉(zhuǎn)速 |
r/min |
218 |
218 |
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7 |
接線方法 |
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3Y |
3Y |
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8 |
絕緣等級 |
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B |
F |
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9 |
凈槽尺寸 |
mm |
26.5×173.5 |
29.9×147.1 |
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10 |
銅線線規(guī) |
mm |
26.3×6.9/3.03×7.5－42 |
2.65×10/2.9×10.25－36 |
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11 |
股線換位角度 |
° |
360 |
320 |
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12 |
轉(zhuǎn)子電壓 |
V |
345 |
359.5 |
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13 |
轉(zhuǎn)子磁極銅材形狀 |
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七邊形 |
翼型 |
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14 |
發(fā)電機轉(zhuǎn)子外徑 |
mm |
12038 |
12038 |
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15 |
轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù) |
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21 |
23.5 |
2 定子改造
2.1 定子的槽數(shù)
丹江口水電廠150MW水輪發(fā)電機改造在電磁設(shè)計時從594槽、倒504槽均做了詳細的計算研究。若槽數(shù)太多，線負荷就太大；若槽數(shù)太少，線負荷又太小。2種槽數(shù)的方案均能利用原勵磁設(shè)備，勵磁參數(shù)均沒超過原勵磁設(shè)備的能力。
改造前的方案為594槽，大齒壓板結(jié)構(gòu)，每張沖片10槽，全圓54片。如采取與改造前的槽數(shù)相同，鐵芯長度一致，沖片內(nèi)外、徑完全一致，故可完全利用原定子機座，拉緊螺桿孔位置和定位筋位置可原封不動，從而明顯縮短工期，為電站及時發(fā)電作最充分的準備。與此同時，594槽方案還具有發(fā)電機效率最高的優(yōu)點。最終選擇了594槽方案。3#機改造設(shè)計時在1#改造的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了發(fā)電機接線，降低定子繞組的分布系數(shù)，增大磁場飽和程度，短路比計算值不小于1.0，設(shè)計值為1.04。
2.2 定子鐵芯
新定子鐵芯與原定子機座相匹配，新定子鐵芯的定位筋數(shù)為108根，定子鐵芯采用低損耗，高導(dǎo)磁率，無老化的優(yōu)質(zhì)冷軋無取向硅鋼片DW270-50沖制而成，鐵芯壓緊采用分段預(yù)壓、整體熱壓、兩端膠粘的方式，兩面刷F級絕緣漆，漆膜厚薄均勻，雙面漆膜厚度不超過0.025mm,并在現(xiàn)場機坑內(nèi)整圓疊裝。為有效減少次諧波振動，該方案將定子軛寬與槽深之比增至1.5，使次諧波頻率避開了70Hz～120Hz范圍，從而有效降低了磁振動幅值。
鐵芯長度1800mm，分成47段設(shè)置46個高度為6mm的通風溝。通風溝槽鋼采用非磁性材料1Cr18Ni9Ti熱軋而成，橫載面為工字型，具有減小鐵損和提高機械性能的雙重作用。為了降低端部軸向漏磁在端部的發(fā)熱，鐵芯上、下兩端沖片沖有小槽，并在上、下兩端疊成臺階。
上、下壓指采用非磁性材料，以消除其感應(yīng)發(fā)熱和電磁受力。每塊壓板設(shè)有吊環(huán)螺孔。為防止壓指松動、斷裂，除采用非磁性鋼和加寬壓指外，設(shè)計還將壓指直接焊于壓板上。沖片與定子機座采用雙鴿尾筋固定，定位筋與鐵芯及托塊間有一定的間隙，足以防止由于鐵芯熱膨脹而產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力。為保證定子鐵芯在長期運行后的緊量，即在沖片毛刺的壓服的沖片漆膜熱收縮后，沖片片間仍有足夠的緊量，螺桿上端套有碟形彈簧。
2.3 定子繞組
定子繞組為雙層條式繞組Y型連接，定子繞組導(dǎo)體為全軟銅材料。定子線圈制造采用先進的換位技術(shù)，以最大限度的減少損耗和股間電流，降低運行中股間溫差。導(dǎo)線采用股線絕緣厚為0.2mm的滌綸玻璃絲燒結(jié)線，為了消除由端部漏磁產(chǎn)生的股間環(huán)流發(fā)熱,采用直線段320°/322°換位。經(jīng)計算，該換位角度最佳。所有繞組的連接，包括銅環(huán)引線，極間連接線的連接均采用銀銅焊工藝,端頭接頭焊接后直流電組小于2μΩ。繞組工藝必須保證視絕緣和線棒成為無間隙的嚴密而均勻的整體，線圈能無損傷的嵌入、取出，整個線圈能承受潮氣和連續(xù)高溫而不致?lián)p傷,完善的電暈屏蔽使單個線棒1.5倍額定線電壓時不起暈。
線棒的工藝采用多點均壓槽底墊低電阻墊條均壓等措施，為使線棒在定子槽內(nèi)與鐵芯間配合緊密，保證線棒與鐵芯單側(cè)間隙小于0.3mm,為了進一步提高線棒槽內(nèi)固定的預(yù)緊力，該機采用波紋板加槽楔固定，絕緣結(jié)構(gòu)按高場強絕緣規(guī)范執(zhí)行，由半導(dǎo)體電紡布替代了工藝上要求嚴格控制的滌綸適性氈，使槽內(nèi)固定牢靠，不會因長期運行產(chǎn)生收縮而引起槽楔松動。
3 轉(zhuǎn)子改造
轉(zhuǎn)子線圈采用翼型銅排繞制爾成，其散熱面積大幅提高。
磁極托板采用整體壓制結(jié)構(gòu)，加強了托板的介電強度，消除了由于拼接托板連接處爬電的可能。該托板的整體性能比拼接托板要高，提高了機組的運行可靠性。
4 通風系統(tǒng)
通風冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)采用轉(zhuǎn)子支架單路循環(huán)、旋轉(zhuǎn)風斗式機構(gòu)，空氣冷卻器采用雙金屬翅片式冷卻器。在設(shè)計時充分考慮發(fā)電機改造前的機組狀況和通風情況，以及改造后的機組狀況和通風要求，對其進行嚴格的比較，選擇了合理的設(shè)計方案及制造工藝，滿足發(fā)電機改造的通風冷卻要求，具體改造如下：
1）拆除原機上下斗式風扇和相應(yīng)的水平和立式擋風板，簡化風路結(jié)構(gòu)；
2）在轉(zhuǎn)子磁極上下端利用原機把合風扇的螺栓把合一圈高強度玻璃鋼旋轉(zhuǎn)風斗，增強定轉(zhuǎn)子氣隙壓頭，強化上下齒板區(qū)域的散熱，防止熱風回流；
3）改盒形轉(zhuǎn)子支架為圓盤支架結(jié)構(gòu)，減少轉(zhuǎn)子支架旋渦，提高支架有效壓頭；
4）封堵轉(zhuǎn)子支架下入風口，消除電機下風洞中的大旋渦；
5）合理增大冷卻器有效面積，冷卻器應(yīng)采用雙金屬翅片式新型高效冷卻器，材質(zhì)采用耐磨且導(dǎo)熱性能高的紫銅管，冷卻器銅管單邊厚度為2mm。
4 結(jié)語
3#機改造在2001年6月份成功發(fā)電，經(jīng)過3年來的實際運行檢驗，效果良好。首先，發(fā)電機的出力明顯增加，在52.4m水頭時做機組的相對效率實驗，發(fā)電機的出力打到了125.7MW，而機組的絕對效率試驗顯示，在40MW—160MW負荷范圍內(nèi)，機組平均效率約增加了3%。其次，降低了損耗和溫升，在52.4m水頭時的通風溫升試驗表明，當負荷在175MW時，定子最高點溫聲降低了40K，轉(zhuǎn)子平均銅溫升降低22K，發(fā)電機的通風損耗降低281.1KW，負荷損耗換算到175MW時降低了1256.8kw，同時，下機架處的巨大的旋轉(zhuǎn)風徹的消除，從而解決了推力油槽處油得霧化的問題。保證了定﹑轉(zhuǎn)子表面的清潔，有利于提高發(fā)電機的絕緣壽命。3#機組的成功改造對我們以后的幾臺機組的改造增容有著很好的借鑒意義。
發(fā)電機改造的總裝圖
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