水輪發(fā)電機組增容中的發(fā)電機轉(zhuǎn)子改造

農(nóng)少安

摘 要：借助新技術(shù)和新材料進行機組增容技術(shù)改造，可以在一定程度上挖掘電站潛力，提高發(fā)電效益。水電站機組增容改造一般要涉及水輪機轉(zhuǎn)輪改造、調(diào)速器改造、發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子改造、勵磁裝置改造、輔助裝置改造等多個環(huán)節(jié)。其中發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子改造因其騰挪空間很有限，并需要進行大量電磁計算，如何在不改變原轉(zhuǎn)子鐵芯的基礎(chǔ)上增加其安匝數(shù)往往成為技術(shù)難點和亮點。結(jié)合某中型水電站機組増容技術(shù)改造的實踐效果，研究水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子改造的新途徑和技術(shù)要點，為同類型項目提供了一種技術(shù)借鑒。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機；電磁參數(shù)；轉(zhuǎn)子線圈；電磁計算；磁極托板

中圖分類號：TV734 文獻標識碼：A

1.概述

該水庫壩后電站于1973年7月建成投產(chǎn)，原設(shè)計裝機容量3×6.5MW，水輪機型號為HL702-LJ-140，額定水頭Hr=50.5m，額定出力Pr=6.803MW。項目前期對機組進行了性能測試，測試分析意見認為，機組經(jīng)30多年運行，水輪機汽蝕磨損嚴重，機組效率明顯下降。3臺機組效率均低至80%，水資源浪費嚴重，影響電站的發(fā)電效益。為了充分利用水資源，發(fā)揮電站工程效益，需對機組進行大修和技術(shù)改造，將原設(shè)計裝機容量由3×6.5MW增容至3×7.15MW（即增容10%）。注：發(fā)電機定子已在上一次大修時按增容10%更換了繞組。主要技術(shù)改造項目如下：

1.1 水輪機轉(zhuǎn)輪改造

性能測試和拆機觀察結(jié)果表明，HL702轉(zhuǎn)輪制造質(zhì)量不高，空化性能較差，空蝕破壞嚴重，是效率下降的主要原因之一。因此決定更換3臺機組的水輪機轉(zhuǎn)輪，提高效率，減小汽蝕，并按10%容量擴容。經(jīng)技術(shù)和經(jīng)濟論證，采用新轉(zhuǎn)輪型號為：JF2589a-LJ-140。

1.2 調(diào)速器改造

原調(diào)速器為CT-40型機械液壓調(diào)速器，電氣元件老化，接力器擺度雙幅達3mm左右，性能較差，必須對YDT-40型調(diào)速器進行技術(shù)改造，更換電氣控制柜及主配壓閥（含主配壓閥）以上的機械液壓系統(tǒng)控制部分。改造后的調(diào)速器型號為YWT-40型（可編程微機調(diào)速器）。

1.3 發(fā)電機轉(zhuǎn)子改造

3臺發(fā)電機轉(zhuǎn)子均保留原電機的轉(zhuǎn)子鐵芯，更換轉(zhuǎn)子線圈，改變勵磁電流，滿足機組擴容后的功率因數(shù)要求（以下將重點論述此部分）。更換3臺發(fā)電機的勵磁裝置，經(jīng)技術(shù)和經(jīng)濟比較，采用DLT6000微機型勵磁裝置。

1.4 勵磁裝置改造

發(fā)電機參數(shù)：額定功率7.15MW，功率因數(shù)0.8，額定電壓6.3kV，額定勵磁電壓118V，額定勵磁電流441A。發(fā)電機増容后轉(zhuǎn)子參數(shù)改變，相應(yīng)需配套勵磁裝置改造。

2.發(fā)電機轉(zhuǎn)子改造

2.1 發(fā)電機電磁計算

（1）對原發(fā)電機電磁參數(shù)的復(fù)核

原發(fā)電機圖紙結(jié)構(gòu)尺寸，定子線規(guī)1.68×6.90、轉(zhuǎn)子線規(guī)3.53×35、轉(zhuǎn)子線圈匝數(shù)52.5、氣隙13.5等。據(jù)此進行電磁參數(shù)復(fù)核結(jié)果：原發(fā)電機要發(fā)出8125kVA視在容量需要勵磁電壓142.40V、勵磁電流426.82A。而原運行規(guī)程標寫勵磁電壓137.5V、勵磁電流400A。即勵磁容量欠10.5%，所以原發(fā)電機無功不足。影響無功不足的另一原因是實際氣隙平均值大于13.5mm。氣隙是電磁計算一個基本而又很重要的原始參數(shù)，對于舊機組，經(jīng)多年運行，轉(zhuǎn)子氣隙的實際值與其原設(shè)計值通常會發(fā)生不同程度的變化，因此需要安排實測取得其可靠數(shù)據(jù)。

根據(jù)發(fā)電機結(jié)構(gòu)尺寸（定子線規(guī)2×7.1、轉(zhuǎn)子線規(guī)3.53×45、轉(zhuǎn)子線圈匝數(shù)53.5、氣隙13.5等）進行電磁參數(shù)計算結(jié)果：增容后發(fā)電機要發(fā)8938kVA視在容量需要勵磁電壓117.53V、勵磁電流441.36A，短路比1.016。改造后雖然用銅略有增加，但轉(zhuǎn)子溫升確可下降20C。因而可為豐水期增大出力留有更大裕度。電磁計算結(jié)果（主要參數(shù)）見表1。

（2）發(fā)電機增容10%已完成的定子線圈

在上一輪大修時，更換了發(fā)電機定子線圈。當時已決定發(fā)電機增容10%。定子線規(guī)（mm×mm）從1.68×6.9變?yōu)?×7.1，定子絕緣等級從B級變?yōu)镕級。

2.2 發(fā)電機增容10%的轉(zhuǎn)子線圈改造分析

短路比：水輪發(fā)電機的短路比一般為0.9～1.3，標準值為1.1”，改造后仍需保持發(fā)電機短路比大于1.0。轉(zhuǎn)子改造仍按原設(shè)計氣隙13.5mm進行計算。

改造轉(zhuǎn)子的方案一：利用原來的舊線圈經(jīng)無氧爐退火，除去舊的絕緣材料，再增加線圈匝數(shù)并提高絕緣等級后翻新處理實現(xiàn)。優(yōu)點是節(jié)約銅材，價格較便宜。缺點是必須在轉(zhuǎn)子內(nèi)部進行線圈接駁，舊線圈在處理過程中容易損傷，結(jié)合部位容易造成隱患；新舊線圈材質(zhì)不容易保證一致性。

改造轉(zhuǎn)子的方案二：按擴容后的容量要求全部更換線圈并提高絕緣等級。優(yōu)點是線圈一次成型，容易保證技術(shù)性能指標。缺點是線圈需要的銅材較多，制造周期較長，價格較高。

經(jīng)比較決定采用方案二，全新更換磁極線圈。要保持磁極溫升不變，即保持總的轉(zhuǎn)子功率損耗基本不變。磁極的總損耗主要由銅損和鐵損組成，由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子的勵磁安匝數(shù)提高了，所以鐵心內(nèi)的磁通Φ值增加，相應(yīng)磁感應(yīng)密度B增加，必然會引起轉(zhuǎn)子磁極內(nèi)的鐵損增加，為了讓轉(zhuǎn)子鐵心的溫升基本不變，必須減小銅損來補償鐵損的增加。銅損正比于I2R，I增大，則R要減小很多，線圈的截面積S必須增大。通過上述分析，這次轉(zhuǎn)子的擴容改造，只能通過增大導線截面積并適當增加匝數(shù)來保證勵磁安匝數(shù)的提高。由于是利用原有的轉(zhuǎn)子磁極鐵芯，結(jié)構(gòu)上的原因，徑向空間不多，但轉(zhuǎn)子圓的切線方向仍有較大空間，此方向增加截面是可行的。

鐵芯的單位體積荷載容量是有限的，只能最大限度地去開發(fā)其未利用的潛在荷載能力。結(jié)合現(xiàn)在技術(shù)、材料方面的進步條件，舊轉(zhuǎn)子可開發(fā)利用的空間通常在如下兩個部位，其一是絕緣材料的優(yōu)化更新，可以擠出多一些物理空間；其二是繞組銅線材料質(zhì)量的提高，對載流量的提升很有幫助。當然，居于溫升、渦流和遲滯損耗平衡的要求，轉(zhuǎn)子必須有一個合理的“銅、鐵比”。

發(fā)電機的氣隙是增容改造時電磁計算的重要依據(jù)，它與發(fā)電機的短路比、勵磁參數(shù)等重要性能指標直接相關(guān)。但舊機組由于是早年的設(shè)計，往往缺失安裝后的實際數(shù)據(jù)資料，這給計算帶來了困難。如誤差太大，將造成改造后無功出力比設(shè)計值稍偏小，即無功潛力得不到充分地挖掘。

依據(jù)上述分析，本技術(shù)改造考慮以增加勵磁電流為主，增加轉(zhuǎn)子線圈匝數(shù)為輔的思路設(shè)計改造方案。這樣轉(zhuǎn)子的“銅、鐵比”不會有大的變化，免去復(fù)雜的電磁設(shè)計，施工的可行性也有保障。

2.3 轉(zhuǎn)子線圈的改造處理

（1）轉(zhuǎn)子線圈與絕緣設(shè)置

隨著技術(shù)進步，現(xiàn)在轉(zhuǎn)子線圈匝間絕緣可由原來的0.4mm厚下降至0.3mm厚（即墊以0.1mm厚的苯二酚玻璃坯布3層），因此原來機身高度尚有富裕，可以在原有基礎(chǔ)上增加一匝，即由52.5匝增加至53.5匝。為確保轉(zhuǎn)子溫升值能夠下降，應(yīng)增大轉(zhuǎn)子線規(guī)的截面，即由原來的3.53×35改變?yōu)?.53×45。磁極絕緣由原來的B級變?yōu)镕級。線圈壓模成形環(huán)節(jié)非常關(guān)鍵，它對現(xiàn)場組裝難度和三相電磁參數(shù)的對稱性有決定性的影響，因此制作時應(yīng)控制尺寸為微負偏差。改造后的磁極線圈如圖1所示。

原磁極托板材料為10mm厚酚醛絕緣板，新磁極托板材料為10mm厚3240環(huán)氧玻璃坯布板。環(huán)氧玻璃坯布板的機械強度優(yōu)于酚醛絕緣板，有利于滿足飛逸轉(zhuǎn)速下的抗壓性能。由于接頭片尺寸變化，相應(yīng)其缺口（槽）尺寸也變化。此缺口（槽）的加工至關(guān)重要，要兼顧線圈絕緣布置和磁極托板強度兩方面的要求，偏一則敗。改造后的磁極托板如圖2所示。

（2）轉(zhuǎn)子直流電阻和阻尼繞組

經(jīng)計算増容后，額定勵磁電流為441.36A，要求轉(zhuǎn)子直流電阻為0.25Ω（75℃）；實際可做到0.2262Ω（75℃）。

由于增容不大，所以阻尼繞組尺寸不必核算，只需核算“Ω”形接頭片的截面。

2.4 發(fā)電機的飛逸轉(zhuǎn)速

因轉(zhuǎn)子線圈重量增加，磁極靴受力也有所增加，理論上發(fā)電機的飛逸轉(zhuǎn)速應(yīng)略有減小。但仍按原發(fā)電機標志的飛逸轉(zhuǎn)速785r/min進行核算，結(jié)果是：

①磁極托板由酚醛板改為3240環(huán)氧玻璃坯布板，其擠壓強度滿足要求。

②改造后磁極靴的最大應(yīng)力仍在材料許用應(yīng)力范圍內(nèi)，能滿足強度要求。所以，增容后發(fā)電機的飛逸轉(zhuǎn)速仍然標785r/min。

3.工程效果實例

測試結(jié)果表明：在相近水頭，改造后機組最大出力比改造前機組最大出力大約增加1.7MW；水輪機效率提高約13%；同樣出力下，改造后水輪機所需流量最大減少約 2m3/s；同樣出力下，改造后水輪機所需耗水率最大減少約1.6m3/（kW·h）。可見機組改造效果顯著，機組性能提高幅度較大，基本上達到了設(shè)計要求的指標。

結(jié)語

在我國，中小型水電站發(fā)展多年，對這些電站設(shè)備進行技術(shù)改造變得比較頻繁。由于水利條件的改善加上發(fā)電設(shè)備、材料技術(shù)水平的普遍提升，水電站技術(shù)改造項目中順便實施發(fā)電設(shè)備增容改造的機會逐步增多。因為在原設(shè)計水利、水工條件之上通常不可能還有太大的増容空間，因此通過局部設(shè)備技術(shù)改造實現(xiàn)最大限度増容不失是一種經(jīng)濟性、可行性較佳的途徑。本工程的實測數(shù)據(jù)給技改的成功提供了佐證，也給讀者提供了一些經(jīng)驗借鑒。

參考文獻

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