大型燈泡貫流式發(fā)電機定子現(xiàn)場組裝淺析

李四偉

（湖南省水利水電勘測設計研究總院 長沙市 410007）

1 概述

湖北省漢江崔家營航電樞紐工程位于長江最大支流漢江干流湖北省襄陽市境內(nèi)，工程建成對提高漢江干流的航運能力起著重要用。電站廠房安裝6臺單機容量為15 MW 的燈泡貫流式水輪發(fā)電機組，2009年12月首臺機組投產(chǎn)發(fā)電，2011年5月工程通過竣工驗收。

崔家營航電發(fā)電機定子機座外徑Φ8 100 mm,若整體運輸，只能采用水路運輸方案，但同時存在貨物下江困難，起岸難度大、運輸安全隱患等因素，按當時條件，無法具體實施。因此定子采用機座分瓣運輸、現(xiàn)場組裝后疊片、下線的方案。

2 發(fā)電機組定子現(xiàn)場組裝特點

崔家營燈泡貫流式發(fā)電機組（SFWG15-84/7300），單機容量15 MW。由于水頭低(額定水頭僅4.7 m)，轉(zhuǎn)速慢（額定轉(zhuǎn)速71.4 r/min），定子尺寸大(Φ8 100 mm×2 800 mm)，線槽多（540 槽），槽間距離小，絕緣等級高（F），因此定子現(xiàn)在組裝工程量較大，技術(shù)要求高，施工難度大。且現(xiàn)場存在多個施工工作面，工作環(huán)境差，需要廠房橋機和壩頂門機配合組裝，給現(xiàn)場組裝帶來許多不便和困難。

3 發(fā)電機組定子特點及技術(shù)要求

定子是發(fā)電機的核心，結(jié)構(gòu)復雜，技術(shù)含量高，工藝難度大，特別是有非常嚴格的公差要求，其尺寸大，且精度要求高。其總重量約90 t，機座分為兩半，由制造廠家運至工地進行現(xiàn)場組裝。大致可分為40余道工序，細分可達80 余道。不僅工藝復雜且全部由人力手工操作。不僅涉及金屬結(jié)構(gòu)的組圓及焊接，還涉及大量電磁線的銅（銀）熔焊和氣焊；還涉及電氣絕緣、油漆、膠合及化工等多種材料?，F(xiàn)場需要進行鐵芯磁化和多次高壓電氣試驗。屬多工種多學科的勞動密集、技術(shù)密集的高精產(chǎn)品。因此組裝任務繁重，難度較大。

定子幾何尺寸的關(guān)鍵要求如下：

●定子圓心度≤1.0 mm。

● 鐵芯半徑3450±0.36 mm，高度1 160（0～+5）mm。

●機殼把合螺孔上游側(cè)R3 890±1.5 mm，下游側(cè)R3 880±1.5 mm。

●雙鴿尾鍵的基準鍵垂直度0.05 mm/m，半徑R3 638.5（+0.15～-0.1）mm，弦距380.88±0.15 mm。

4 定子組裝過程控制

4.1 進度控制

根據(jù)崔家營定子的特點和具體工程量，原定總工期為3×6≈18個月，完工日期應在2010年9月底，1#～3#定子均按3個月1 臺的進度進行施工。由于此工期目標不能滿足崔家營工程總工期的要求，2010年初，業(yè)主要求制造單位采取措施，加緊施工，并同制造廠家施工人員簽訂了目標責任狀，4#～6#定子修改為兩個月完成1 臺，務必于2010年6月15日全部交貨。工期的修訂大大提高了定子組裝的難度，既要保證工期又要保證質(zhì)量。為響應業(yè)主總進度的要求，現(xiàn)場組裝人員想盡辦法，加班加點，周密組織，工序巧妙穿插，爭分奪秒。自4#定子開始，組裝人員制定了詳細的組裝計劃，對進度進行了有力的控制，使得崔家營發(fā)電機組定子組裝任務圓滿完成。見表1。

表1 定子現(xiàn)場組裝交貨一覽表

表中顯示簽訂目標責任狀后，進度明顯加快，效果顯著。

4.2 質(zhì)量控制

4.2.1 幾何精度的控制手段

要滿足幾何尺寸的精度要求，必須建立兩個控制條件：①建立一個理想且鉛垂的軸心作為定子的軸心，沿其軸心測量所有的半徑。要求測圓柱的垂直度≤0.02 mm/m。②保證定子機座水平與軸心互垂，水平度控制在0.5 mm（各測量點高度差），實際控制在0.3 mm。

這兩個條件的滿足，就建立了一個基準。將這個基準作為驗收的基礎標準和先決條件，也就是說，在驗收幾何尺寸前，先確認這兩個數(shù)值是正確的。崔家營的6 臺定子的組裝幾何精度，均達到較高的水平，從定子的一次吊裝就位，順利調(diào)整發(fā)電機氣隙，可以作為佐證。

4.2.2 工序準予制度

定子的工序多且復雜，技術(shù)要求嚴格。最明顯的特點是工序間聯(lián)系緊密，上道工序不合格，嚴重影響下道工序。所以必須明確工序準予制度，重要工序必須經(jīng)現(xiàn)場經(jīng)理簽字后方可施工。

（1）機座圓心度及圓度的質(zhì)量控制。機座到達現(xiàn)場后，經(jīng)清理即吊入工作臺進行組圓。經(jīng)初步調(diào)圓達到要求后即行組合緊固，調(diào)平機座，用千分表監(jiān)測焊接位移，分兩道用CO2氣體保護焊焊接止水縫，重點控制焊接變形。用千分尺以機座上下口為基準確定圓心，確保同心度小于1 mm，圓度R 公差小于±1.5 mm。6 臺均以此為驗收標準。

第1 臺機座到達現(xiàn)場組裝后發(fā)現(xiàn)，運輸變形量過大，使組圓工作造成很大困難，現(xiàn)場人員向廠家提議改進運輸加固辦法，經(jīng)改進后，問題到很好地解決。

（2）機座止水焊縫的質(zhì)量控制。定子機座有兩瓣需要組焊，整個定子機座工作狀態(tài)是泡在水里的，一旦滲漏就可能發(fā)生重大事故，并且很難處理，止水焊縫的焊接存在一定難度，主要的問題是涉及到需嚴格控制變形量。由于機座的幾何精度要求極高，焊接時需要在千分表監(jiān)視下進行，控制焊接變形在許可范圍內(nèi)。用著色法檢驗確保無滲漏。

（3）雙鴿尾鍵的質(zhì)量控制。雙鴿尾鍵是鐵芯的定位的骨架，是鐵芯正確定位的關(guān)鍵，對60 根鍵的分度，垂直度，中心距等的要求極為嚴格，其托板要求對稱焊接，控制變形。是定子組裝的重點之一。是細致和繁重體力勞動的結(jié)合，是技術(shù)和精度的體現(xiàn)。

（4）鐵芯的質(zhì)量控制。鐵芯是定子中的核心，幾何尺寸公差要求嚴格，為R3 450±0.36 mm，由5 萬多片硅鋼片，由人工一片一片堆疊而成。為保證精度，在堆疊過程中，不斷測量調(diào)整，其測量的次數(shù)達幾千次之多。除保證公差外，還要保證壓緊系數(shù)不大于1%，壓緊螺栓壓緊力矩為900 N/m。

（5）繞組的質(zhì)量控制。當鐵芯疊壓合格后，線棒（線圈）的安裝難度并不大，其關(guān)鍵點是絕緣處理和耐壓試驗，需保持環(huán)境無灰塵。

（6）槽楔的質(zhì)量控制。槽楔作為重要的質(zhì)量控制點，是由于鐵芯的通風口需要和槽楔通風口對正，否則將影響鐵芯的散熱。由于槽楔的尺寸公差是成批生產(chǎn)的，基本穩(wěn)定不變，只有通過控制鐵芯的分段誤差和總高誤差來實現(xiàn)。按國家標準高度誤差（0～5）mm，不能實現(xiàn)通風口對正。1#定子按國標控制，錯位過多?，F(xiàn)場監(jiān)理要求高度誤差控制在（0～3）mm，很好的解決了這個問題。2#～6#定子完全達到技術(shù)要求。

（7）繞組并頭焊接的質(zhì)量控制。繞組的并頭焊接，采用電阻（銀）熔焊，共有1 000 多個焊接點，是定子組裝工程中的重中之重。對線棒、連接梁和引出線的焊接，在發(fā)電機組安裝工程中歷來十分重視，對其焊接技術(shù)要求極高，需要高等級專業(yè)焊工施焊?，F(xiàn)場監(jiān)理對其全程跟蹤、旁站、檢測，不放過每一條焊縫的檢驗。整體電氣試驗中的直流電阻的測試，就是針對焊接情況的實驗。

（8）絕緣處理的質(zhì)量控制。絕緣處理對發(fā)電機定子來說至關(guān)重要，其質(zhì)量的好壞直接影響發(fā)電機的整體質(zhì)量。絕緣部分包括線棒上下端并頭焊接處的絕緣盒、引出線焊接點、匯流母線焊接點及裸露部分。交直流耐壓試驗證明6 臺定子的絕緣處理全部合格。4 次交直流耐壓試驗及直流泄露試驗都是檢驗其可靠性和安全性的，足以說明絕緣處理的重要性。

（9）測溫元件的質(zhì)量控制。測溫元件分為兩種，分別埋設在鐵芯內(nèi)和繞組的上層和下層線棒之間。其埋設位置決定了其不可返工和檢修，一旦損壞便不可彌補。所以在安裝前后需要反復檢查，每次試壓后都要重新檢測。

4.3 試 驗

發(fā)電機定子現(xiàn)場組裝完畢后，分別對每臺機組的定子進行了全部相關(guān)試驗，主要試驗項目及試驗結(jié)果見下：

（1）鐵芯磁化試驗見表2。

表2 6 臺定子磁化試驗一覽表

鐵損率的測試可以確定鐵芯的整體質(zhì)量，鐵損率當然越小越好。鐵損率是與環(huán)境溫度相關(guān)的變量，隨環(huán)境溫度升高而偏高。匯總表反映了這一變量，若在同一環(huán)境溫度下（恒溫下）試驗，6 臺定子的鐵損不存在很大差異。

目前沒有關(guān)于水輪機定子鐵損率的標準定量，應遵從企業(yè)標準，制造廠家東芝水電沒有明確其標準值。崔家營所用原材料的鐵損為1.1 w/kg，日本產(chǎn)和國產(chǎn)各半。從試驗結(jié)果分析，鐵芯溫升遠小于25 K 的標準值,鐵損率最大為1.30 w/kg，遠小于汽輪機國標1.3 倍原材料的指標。和長江三峽公開發(fā)表的定子磁化實驗報告數(shù)值1.361 w/kg 相比，崔家營定子的鐵損率是非常低的，并且6 臺鐵損率非常穩(wěn)定，表明鐵芯質(zhì)量上乘。

（2）直流電阻試驗見表3 和表4。

表3 直流電阻測試一覽表1

表4 直流電阻測試一覽表2

直流電阻測試可以確定線圈內(nèi)阻的大小，阻值越小越好。標準沒有規(guī)定阻值的大小，只規(guī)定了相間差不大于2%，實測只有0.1%左右。直流電阻的實驗也可以判定線圈材質(zhì)和施焊的情況。實驗表明6 臺定子線圈質(zhì)量優(yōu)良，銅損很低。

（3）直流泄漏試驗見表5。

直流泄漏測試可以確定線圈絕緣的程度，泄漏量當然越小越好。標準沒有規(guī)定泄漏量的大小，只規(guī)定了相間差不大于50%，實測最大只有33%左右。直流泄漏的實驗也可以判定線圈絕緣設計和施工工藝的情況。實驗表明6 臺定子線圈絕緣質(zhì)量優(yōu)良。

（4）工頻交流耐壓及起暈試驗見表6。

表5 直流泄漏測試一覽表

6 臺定子全部按GB 8564-2003 的要求，按規(guī)定的試驗條件進行交流耐壓試驗，全部一次試驗成功。在整體交流耐壓試驗的同時，對電暈進行了觀察，在1.1 Un 時，無起暈現(xiàn)象。

其它試驗包括定子繞組接地電阻、吸收比等全部按規(guī)定進行了試驗，不再詳述。

4.4 出廠驗收

根據(jù)業(yè)主的要求定子的驗收采取分階段五方聯(lián)合驗收（包括業(yè)主、安裝監(jiān)理、安裝公司、組裝監(jiān)理、制造廠家），前一階段（中間階段）為機械部分，主要以定子的幾何尺寸為核心，后一部分（整體驗收）為電氣部分，主要內(nèi)容為實驗數(shù)據(jù)。經(jīng)詳細檢查，崔家營6 臺水輪發(fā)電機定子全部通過驗收。

4.5 運行驗證

1#～4#發(fā)電機實際運行數(shù)據(jù)可直接證實定子的整體質(zhì)量。

（1）定子運行溫度實測值見表7。

表7 定子運行溫度實測一覽表

從1?！?#定子的運行記錄證實，鐵芯和繞組的工作溫度，均在最佳狀態(tài)。經(jīng)過200 多天的運行，機組運行穩(wěn)定，溫升正常，表明定子工作正常、可靠。

（2）定子電氣運行數(shù)據(jù)見表8。

表8 定子電氣運行數(shù)據(jù)一覽表

從1#～4#定子電氣運行記錄的數(shù)據(jù)證實，繞組各項電氣指標全部在最佳狀態(tài)。相電壓、線電壓正常，三相電流基本平衡，無過載過流現(xiàn)象，表明定子的設計、制造、組裝符合國標要求。

4.6 定子現(xiàn)場組裝質(zhì)量結(jié)論

綜上所述，定子組裝質(zhì)量結(jié)論如下：1#～6#發(fā)電機定子組裝工藝符合GB 8564-2003 標準的要求。

5 存在的問題

在組裝過程中，發(fā)現(xiàn)個別定子存在工藝不足，如1#、2#、4#定子絕緣盒不整齊、半導體漆、絕緣漆不美觀、絕緣包扎、綁繩不細致等工藝缺陷（非質(zhì)量缺陷），但并不影響定子的整體質(zhì)量，1#～6#定子不存在任何后遺癥。

6 結(jié)語

大型燈泡貫流式水輪發(fā)電機組定子現(xiàn)場組裝是一項比較復雜的工藝，對現(xiàn)場條件以及組裝人員的要求都極高，且燈泡貫流式機組不同于常規(guī)的立式水輪發(fā)電機組（燈泡貫流式發(fā)電機定子剛度相對于立式機組定子剛度要弱），在運輸中更容易出現(xiàn)意外所以要特別注意。