近尾洲電站定子線棒改造

李聲寶，朱紅平，周 軍，姜曉峰

（1.東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，浙江 杭州310020；2.五凌電力近尾洲電廠，湖南 衡陽(yáng) 421127；3.湖南五凌電力科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410004）

0 前言

近尾洲水電站為湘江干流中游梯級(jí)開發(fā)的第7級(jí)電站，位于湖南省衡陽(yáng)市衡南、祁東、常寧2縣1市交界處，距衡陽(yáng)市區(qū)約75km，屬于低水頭河床式日調(diào)節(jié)電站，電站裝機(jī)容量63.0MW，3臺(tái)21.0MW貫流式機(jī)組，于2002年3月3臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電，機(jī)組為進(jìn)口產(chǎn)品。

近尾洲電站發(fā)電機(jī)定子采用貼壁式結(jié)構(gòu)，額定電壓10.5kV，絕緣等級(jí)F級(jí)，定子槽數(shù)480槽，繞組為整距繞組，采用波繞組形式布置，每極每相槽數(shù)為q=2，定子繞組斜槽一個(gè)齒距，絕緣厚度為2.2mm（包括低阻防暈層）。

經(jīng)14年運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)各臺(tái)定子線棒均有不同程度的電腐蝕，槽楔亦有脫落現(xiàn)象，定子繞組溫升較高，電站為確保機(jī)組安全運(yùn)行，決定對(duì)定子線棒及其絕緣體系進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和制造，原發(fā)電機(jī)組為進(jìn)口產(chǎn)品，對(duì)定子線棒電氣性能要求非常高。改造設(shè)計(jì)時(shí)因機(jī)組仍在運(yùn)行，無(wú)法對(duì)改造所需的參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量調(diào)查，原設(shè)計(jì)圖紙也不全，對(duì)局部改造來(lái)說(shuō)增加了不小的難度，故設(shè)計(jì)和制造時(shí)需要經(jīng)過深入調(diào)查和研究分析。

1 發(fā)電機(jī)基本參數(shù)和設(shè)計(jì)要求

發(fā)電機(jī)基本參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)電機(jī)基本參數(shù)表

定子線棒改造的具體要求：

（1）尺寸：絕緣厚度2.2mm（包括低阻防暈層厚）。

（2）擊穿電壓：≥70kV，擊穿場(chǎng)強(qiáng)≥35kV/mm。

（3）局部放電：10.5kV 時(shí)，≤ 500PC。

（4）介 損：初 始 值 0.2UN時(shí)，tanδ≤ 1.0%；△tanδ （0.6UN-0.2UN）≤0.5%；熱態(tài)介損：0.6UN時(shí)，≤6%。

2 磁場(chǎng)及溫度場(chǎng)的有限元解析情況

為分析原機(jī)組溫升偏高，是否存在設(shè)計(jì)問題，以及改造前后機(jī)組情況的比較，對(duì)發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子部分進(jìn)行了有限元解析，圖1～圖4是幾種改造后的典型解析結(jié)果。

圖1 局部剖分網(wǎng)格

圖2 額定運(yùn)行時(shí)磁力線分布

圖3 標(biāo)量磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

圖4 進(jìn)相深度0.95時(shí)矢量磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

解析結(jié)果表明，磁場(chǎng)的分布沿氣隙分布均勻，磁密大小合理，滿足工程設(shè)計(jì)要求。

整體溫度場(chǎng)分布、局部溫度場(chǎng)分布及線棒局部溫度場(chǎng)分布如圖5所示。

原機(jī)組定子繞組下線方式采用定子線棒插入鐵心槽內(nèi)后，向槽內(nèi)灌注半導(dǎo)體硅膠，從而填充間隙的方式，采用該種下線方式時(shí)，若能有效填充滿線棒與鐵心之間的間隙則效果尚好，但如果注膠沒有充分填滿空隙，當(dāng)線棒和鐵心之間存在空氣隙時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)線棒導(dǎo)熱效果降低，溫升偏高，槽內(nèi)線棒表面出現(xiàn)微小放電并產(chǎn)生電腐蝕。

圖5

發(fā)電機(jī)采用貼壁式結(jié)構(gòu)，定子部分的熱傳導(dǎo)為：定子線棒→定子鐵心→定子機(jī)座→河水。由圖5可知，定子機(jī)座和定子鐵心外徑側(cè)溫度很低，被河水有效冷卻，定子線棒僅靠槽底側(cè)溫度較低，而氣隙側(cè)則溫度偏高，冷卻效果不是很理想，進(jìn)而推斷定子線棒與定子鐵心之間的熱傳導(dǎo)不良。

分析可知若采用可減小定子線棒與定子鐵心之間間隙的下線方式，同時(shí)槽內(nèi)填充材料采用高導(dǎo)熱材料，應(yīng)能達(dá)到改造目的，因此近尾洲電站改造設(shè)計(jì)時(shí)，定子線棒槽內(nèi)固定方式采用高導(dǎo)熱的半導(dǎo)體材料、螺旋包繞下線方式，以改善熱傳導(dǎo)、減小槽內(nèi)鐵心與線棒之間的間隙，達(dá)到降低定子線棒溫升的目的。

通過對(duì)定子部分的溫度場(chǎng)解析，對(duì)比改造前和改造后可知，線棒溫升可降低5K以上，滿足了合同要求。

3 改造定子線棒電氣性能

隨機(jī)選取試驗(yàn)線棒，對(duì)試驗(yàn)線棒進(jìn)行了各項(xiàng)電氣試驗(yàn)，對(duì)定子線棒是否滿足性能要求進(jìn)行驗(yàn)證，表2～表4列出了幾項(xiàng)典型的電氣試驗(yàn)結(jié)果。

定子線棒下線完成后，對(duì)發(fā)電機(jī)定子槽電位進(jìn)行了測(cè)量，所有測(cè)量數(shù)據(jù)都小于1V，遠(yuǎn)優(yōu)于國(guó)標(biāo)要求的小于10V，說(shuō)明螺旋包繞下線方式能明顯降低線棒與鐵心之間的間隙，從而可提高散熱效果，避免槽部電暈腐蝕。

表2 介損測(cè)量

表3 局部放電測(cè)量 單位：PC

表4 擊穿試驗(yàn)

從上述幾項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，雖然電氣性能要求非常嚴(yán)格，通過選用性能優(yōu)越的單面補(bǔ)強(qiáng)材料以及高導(dǎo)熱半導(dǎo)體硅膠材料和絕緣體系的優(yōu)化，最終生產(chǎn)的線棒能滿足性能要求，并達(dá)到非常好的效果。

4 改造后運(yùn)行情況

目前一臺(tái)機(jī)組已經(jīng)完成定子線棒改造，運(yùn)行了半年以上，運(yùn)行情況良好，并經(jīng)歷了汛期和夏季的考驗(yàn)。橫向與另外幾臺(tái)沒有改造的機(jī)組進(jìn)行對(duì)比，改造機(jī)組的定子線棒溫度明顯低于其他機(jī)組，在沒有滿負(fù)荷運(yùn)行情況下，溫度比其他機(jī)組低5℃左右，推算帶滿負(fù)荷時(shí)，溫度約低7℃，與分析結(jié)果接近，達(dá)到了改造的目的。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的增加，絕緣壽命將達(dá)到年限，或者隨著流域水力參數(shù)的變化，機(jī)組希望增容等都將使得發(fā)電機(jī)組有局部或整體改造的需求。機(jī)組在改造時(shí)需要充分調(diào)查分析，由于絕緣水平和制作能力提高以及新技術(shù)的發(fā)展，如果其他部件有足夠余量，僅僅更換定子繞組也能達(dá)到增容改造的目的。這樣既能達(dá)到改造的目的，又能節(jié)約大量資源和成本。

通常需改造機(jī)組已經(jīng)運(yùn)行有一定的年限，若僅僅更換定子繞組，需要檢查定子鐵心是否完好無(wú)損，是否存在短路點(diǎn)，是否存在翹曲、生銹、疊片松動(dòng)等現(xiàn)象。通過對(duì)鐵心表面的檢查、清洗以及鐵損試驗(yàn)合格后，方能確定定子鐵心可以保留使用。

近年來(lái)，采用槽內(nèi)灌膠方式的某些進(jìn)口發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)了定子線棒溫升過高以及電腐蝕現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致短路擊穿事故，通過本項(xiàng)目的改造，能夠非常有效降低溫升，避免電暈產(chǎn)生，提高了機(jī)組的安全可靠性，為類似發(fā)電機(jī)組改造提供借鑒意義。