淺析某FPSO船用發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組大修

馮俊巖，廖劍鋒，姜犖犖，劉 孟

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東深圳 518067）

0 引言

某FPSO原為運(yùn)輸油輪，始建于1975年。1995年在新加坡進(jìn)行升級(jí)改造為1艘140 000噸級(jí)具備原油處理、儲(chǔ)存及外輸能力的儲(chǔ)油輪，自1996年開始服役于南海某作業(yè)區(qū)油田至今。船上3臺(tái)發(fā)電機(jī)設(shè)備經(jīng)長期運(yùn)行后，設(shè)備老化嚴(yán)重，且從未進(jìn)行過大修，如若繼續(xù)長期使用將存在較大隱患。在近年的各項(xiàng)檢驗(yàn)中亦發(fā)現(xiàn)了較多影響安全生產(chǎn)的問題，因此某作業(yè)區(qū)決定對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行大修。

1 發(fā)電機(jī)基本情況

1）發(fā)電機(jī)主要參數(shù)：品牌型號(hào)：HFJ5-714-14E；額定功率2 250 kVA；額定電壓450 V；額定電流2 885.7 A；額定轉(zhuǎn)速720 r/min；功率因數(shù)0.8；頻率60 Hz；相數(shù)為3；接線形式為Y型；絕緣等級(jí)F；勵(lì)磁電壓85 V；勵(lì)磁電流8 A；發(fā)電機(jī)制造廠為韓國HYUNDAI；生產(chǎn)日期為1994年12月；設(shè)備重量11 200 kg；設(shè)備編號(hào)94EWDH423。

2）發(fā)電機(jī)主要結(jié)構(gòu)：發(fā)電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋及軸承、油密封裝置、軸瓦、冷卻器、勵(lì)磁機(jī)、永磁機(jī)、旋轉(zhuǎn)整流器及其外罩、出線盒和內(nèi)部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等部件組成。該發(fā)電機(jī)為三相交流隱極式同步發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)采用整體全封閉，空氣內(nèi)循環(huán)，利用水冷卻器的冷卻方式[1]。

2 發(fā)電機(jī)進(jìn)廠檢查

在船廠期間對(duì)發(fā)電機(jī)的底座螺栓、聯(lián)軸器、飛輪盤、冷卻管線、滑油管線等設(shè)施先行拆除，再逐一對(duì)3臺(tái)發(fā)電機(jī)進(jìn)行吊裝出倉作業(yè)，順利裝車后送至維修廠。發(fā)電機(jī)拆除及吊裝工作前要做好施工方案和作業(yè)前工作風(fēng)險(xiǎn)分析（Job Safety Analysis，JSA），確保發(fā)電機(jī)安全拆除，順利抵達(dá)維修廠。發(fā)電機(jī)進(jìn)廠后進(jìn)行解體檢查，需要拆除端蓋、軸瓦、內(nèi)部電流互感器、電壓互感器等設(shè)備，并且抽出轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子抽出過程需小心謹(jǐn)慎作業(yè)，保證轉(zhuǎn)子不受損傷。下文對(duì)其中1臺(tái)發(fā)電機(jī)的大修過程進(jìn)行簡單介紹。

1）對(duì)已經(jīng)解體的發(fā)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子繞組分別進(jìn)行直流電阻檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)采用上海雙特電工品牌的QJ44型攜帶式直流雙臂電橋測(cè)量[2]。

定子繞組相電阻的測(cè)量結(jié)果分別為：R11＝0.000 678 7 Ω；R12＝0.000 676 1 Ω；R13＝0.000 676 7 Ω。平均值R1＝（R11＋R12＋R13）/3＝0.000 677 1 Ω。相對(duì)誤差△R＝[（Rmax－Rmin）/R1]100%＝0.38%。

根據(jù)GB 50150—2016《電氣設(shè)備試驗(yàn)方法》，相互間差別不應(yīng)超過其最小值的2%為合格。轉(zhuǎn)子繞組相電阻的測(cè)量結(jié)果為：0.006 652 Ω。

2）對(duì)發(fā)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子繞組分別進(jìn)行絕緣電阻檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)采用FLUKE品牌的PC27-5G型絕緣電阻測(cè)試儀器，測(cè)量時(shí)打到1 000 V檔位。

在耐壓試驗(yàn)前定子繞組絕緣電阻的測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 定子繞組絕緣電阻測(cè)量值和吸收比計(jì)算值

根據(jù)GB 50150—2016《電氣設(shè)備試驗(yàn)方法》，吸收比該值大于1.3或1.2為合格。

轉(zhuǎn)子繞組絕緣電阻的測(cè)量結(jié)果為：55 MΩ。

3）對(duì)發(fā)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子繞組分別進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)采用上海徐吉電氣品牌的YD-30KVA型交流耐壓試驗(yàn)變壓器，試驗(yàn)電壓按照GB 50150—2016《電氣設(shè)備試驗(yàn)方法》規(guī)定選取。

定子繞組交流耐壓試驗(yàn)的試驗(yàn)電壓為1 520 V，試驗(yàn)時(shí)間為1 min。

試驗(yàn)結(jié)果為：U相通過；V相擊穿；W相通過。因此試驗(yàn)結(jié)果不合格，需要重新更換定子繞組。

轉(zhuǎn)子繞組交流耐壓試驗(yàn)的試驗(yàn)電壓取1 500 V，試驗(yàn)時(shí)間為1 min。試驗(yàn)結(jié)果為：一相擊穿。因此試驗(yàn)結(jié)果不合格，也需要重新更換轉(zhuǎn)子繞組[3]。

3 發(fā)電機(jī)維修過程

發(fā)電機(jī)解體檢查的結(jié)果顯示，定子和轉(zhuǎn)子繞組都出現(xiàn)了絕緣性能低，繞組被擊穿的現(xiàn)象。考慮到發(fā)電機(jī)為關(guān)鍵設(shè)備，船舶后續(xù)的生產(chǎn)和生活都需要穩(wěn)定且連續(xù)的電源供應(yīng)，因此業(yè)主決定重新制作并更換全部繞組[4]。

按照舊發(fā)電機(jī)原有的繞組技術(shù)數(shù)據(jù)重新更換新繞組，可以保證發(fā)電機(jī)性能和原有性能相近。但是由于原有發(fā)電機(jī)老舊，年代久遠(yuǎn)，原始數(shù)據(jù)丟失，因此只能先對(duì)舊發(fā)電機(jī)進(jìn)行基礎(chǔ)測(cè)量，然后對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算分析后得到繞組技術(shù)參數(shù)，最后按照繞組技術(shù)參數(shù)進(jìn)行發(fā)電機(jī)繞組大修。但隨著現(xiàn)代材料和工藝的發(fā)展，如果原工藝參數(shù)有可以優(yōu)化的空間，還需對(duì)原有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，改善原有參數(shù)，使之更加穩(wěn)定可靠。

4.1 發(fā)電機(jī)定子繞組大修過程：

1）首先記錄定子繞組原始數(shù)據(jù)：鐵芯外徑Da＝1 120 mm，鐵芯內(nèi)徑Di＝880 mm，鐵芯長度Lt＝780 mm（8 mm風(fēng)道16個(gè)），鐵芯槽寬bn＝8.50 mm，鐵芯槽深hn＝61.0 mm（楔下57.5mm），定子槽數(shù)Z＝150個(gè)。繞組參數(shù)：極數(shù)2p＝10；每極每相槽數(shù)q＝5；節(jié)距Y＝10(即1～11)；并聯(lián)路數(shù)a＝10Y；電磁線規(guī)格為3-3.65×6.50FMB-40聚酯薄膜單面補(bǔ)強(qiáng)云母帶繞包線；線圈匝數(shù)2；線圈長度為直線850 mm，總長1 165 mm；槽內(nèi)填充參數(shù)：槽底1 mm、層間5 mm、槽楔3 mm[5]。

2）對(duì)原有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并做電磁計(jì)算：

每只線圈導(dǎo)線總截面＝導(dǎo)線數(shù)量×導(dǎo)線面積：S＝22.86 mm2，r＝1.0。電流密度＝相電流/回路數(shù)/導(dǎo)線總截面：J＝4.209 2 A/mm2。線負(fù)荷＝[相電流/回路數(shù)]×[匝數(shù)×層數(shù)×槽數(shù)]/圓周長：A＝626.50 A/cm。熱負(fù)荷=線負(fù)荷×電流密度：AJ＝2 637.06，對(duì)于冷卻方式IC86W37可行。短距比：0.666 7，對(duì)于10極電機(jī)，此短距比偏小。

電磁線絕緣型號(hào)為FMB-40/155，此型號(hào)云母帶繞包線國內(nèi)生產(chǎn)很少，僅常熟電磁線廠試制過，擊穿電壓10 A、彎曲 4 000 V。上海申茂電磁線廠只有FMB-50/155，F(xiàn)MB-40/155的2種型號(hào)，未查詢到相關(guān)介紹。而且FMB-**/155的工藝性比較差，繞線或漲型時(shí)容易受損傷[6]。

3）新線圈設(shè)計(jì)：采用銅扁線，因?yàn)樵欣@組線圈主絕緣太薄，容易受損傷，且原電機(jī)就是耐壓擊穿的，因此，對(duì)于新線圈的主絕緣要予以加厚, 并對(duì)線規(guī)予以調(diào)整，改為：3.90×6.10S＝22.930 mm2＞22.866 mm2，絕緣型號(hào)采用SBMYFB-32/180-1N型0.035 mm單面膠復(fù)合薄膜2/3疊包1層，加單層玻璃絲包繞，H級(jí)漆，自粘，擊穿電壓4a彎曲6 000 V。

絕緣導(dǎo)線A＝4.22 mm；B＝6.40 mm；主絕緣前寬度6.50 mm；高度25.50 mm；線圈主絕緣厚度1.65 mm；線圈主絕緣后寬度8.15 mm；高度27.15 mm；嵌線間隙寬度0.35 mm；高度楔下0.20 mm。

4）新線圈需進(jìn)行試驗(yàn)：對(duì)匝間絕緣進(jìn)行可靠性評(píng)估，通過計(jì)算合理選擇沖擊電壓。線圈的絕緣結(jié)構(gòu)也需進(jìn)行驗(yàn)證，在纏繞過云母帶后進(jìn)行擊穿電壓試驗(yàn)，評(píng)估線圈絕緣水平。

5）鐵芯溫升試驗(yàn)：按照DL/T 596—2015《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定，鐵心溫度最高點(diǎn)的溫升不超過25 K，溫差不超過15 K。

6）線圈嵌入后的半成品試驗(yàn)：在定子繞組浸漆前，需要進(jìn)行單定子短路試驗(yàn)和接線相序測(cè)試，以確保繞組在通額定電流下，短路電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)，且三相電流平衡，相序正確，繞組接線無誤。

7）鐵芯和繞組各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)合格后，對(duì)定子整體進(jìn)行真空壓力浸漆。浸漆前和浸漆后均要進(jìn)行絕緣檢測(cè)，記錄檢測(cè)數(shù)據(jù)，評(píng)估檢測(cè)數(shù)據(jù)是否合規(guī)。浸漆后應(yīng)進(jìn)行交流和直流耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)后還需重新測(cè)量絕緣電阻并計(jì)算吸收比，所有數(shù)據(jù)均應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，以確保定子繞組維修質(zhì)量。

4.2 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組大修過程

1）首先測(cè)繪轉(zhuǎn)子繞組原始數(shù)據(jù)，包括：轉(zhuǎn)子外徑、轉(zhuǎn)子鐵芯長度、每極線圈數(shù)、槽數(shù)、槽尺寸、繞組直流電阻、線圈交流阻抗等數(shù)據(jù)，以此為依據(jù)，核算轉(zhuǎn)子電磁參數(shù)。選用優(yōu)質(zhì)漆包圓銅線，根據(jù)重新選用的線規(guī)、匝數(shù)、絕緣厚度、導(dǎo)線并繞根數(shù)，重新制作并纏繞轉(zhuǎn)子繞組。

2）轉(zhuǎn)子線圈重新繞制過程，在不同階段要進(jìn)行半成品、成品相關(guān)的試驗(yàn)，用以驗(yàn)證繞組的可靠性和安全性。先進(jìn)行單組線圈檢查和試驗(yàn), 主要包括：直流電阻測(cè)量、絕緣電阻測(cè)量、交流阻抗測(cè)量、交流耐壓試驗(yàn)和匝間電壓沖擊等。試驗(yàn)結(jié)果合格后，再進(jìn)行線圈連接后的各項(xiàng)檢查和試驗(yàn)，主要包括：直流電阻測(cè)量、絕緣電阻測(cè)量、各磁極線圈交流壓降分布、直流壓降分布和極性檢查等，試驗(yàn)結(jié)果同樣都要符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

3）轉(zhuǎn)子繞組各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)均合格后，接下來要進(jìn)行轉(zhuǎn)子真空壓力浸漆工序。浸漆前后都要進(jìn)行絕緣電阻檢測(cè)。如各項(xiàng)數(shù)據(jù)正常，浸漆后還需進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)要符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，所有數(shù)據(jù)均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，以確保轉(zhuǎn)子繞組維修質(zhì)量。

4）完成轉(zhuǎn)子繞組維修后，需要裝配所有附件，進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡調(diào)校。根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)轉(zhuǎn)子重量、發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，確定動(dòng)平衡品質(zhì)要求，調(diào)校后應(yīng)達(dá)到G1.0或G2.5標(biāo)準(zhǔn)[7]。

5 發(fā)電機(jī)修后試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)重新更換繞組，并完成定轉(zhuǎn)子部件組裝后，在維修廠內(nèi)需進(jìn)行必要的機(jī)械構(gòu)件檢查，如：滾動(dòng)軸承或滑動(dòng)軸承裝配、發(fā)電機(jī)附件裝配等。各項(xiàng)裝配數(shù)據(jù)合規(guī)后，需進(jìn)行空載運(yùn)行試驗(yàn)、1.3Un電壓試驗(yàn)、定子繞組短路溫升試驗(yàn)、1.2ne超速試驗(yàn)以及不同工況下的振動(dòng)和噪聲檢測(cè)。完成上述測(cè)試項(xiàng)后，可確認(rèn)發(fā)電機(jī)大修初步完成。發(fā)電機(jī)出廠回船復(fù)原安裝后，要進(jìn)行最后一步負(fù)載試驗(yàn)，以驗(yàn)證大修后發(fā)電機(jī)性能是否滿足使用要求。負(fù)載試驗(yàn)宜采用外部干式負(fù)載箱進(jìn)行。負(fù)載箱的選用要根據(jù)發(fā)電機(jī)的電壓、頻率及容量來選擇[8-9]。負(fù)載箱的接線要盡量減少接線次數(shù)，以便能將3臺(tái)發(fā)電機(jī)依次分別完成單機(jī)負(fù)載試驗(yàn)、兩兩并車試驗(yàn)及3臺(tái)并車試驗(yàn)。按照船級(jí)社的規(guī)范要求，可以按照25%、50%、75%這3個(gè)階段進(jìn)行加負(fù)載試驗(yàn)。如各個(gè)階段試驗(yàn)都通過，再進(jìn)行負(fù)載突增、突減試驗(yàn)，突增和突減的負(fù)載大小可根據(jù)日常使用情況選擇范圍，所有試驗(yàn)結(jié)果均應(yīng)達(dá)到規(guī)范要求。

6 結(jié)論

本文從待修發(fā)電機(jī)的進(jìn)場(chǎng)檢查、新線圈計(jì)算、新線圈試驗(yàn)、發(fā)電機(jī)修后試驗(yàn)這些方面介紹了某FPSO船用發(fā)電機(jī)的大修過程，重點(diǎn)介紹了發(fā)電機(jī)繞組修理。因?yàn)槎ㄞD(zhuǎn)子繞組是非常重要的部件，也是易出現(xiàn)故障的部件，因而發(fā)電機(jī)大修即主要是對(duì)繞組的修理。繞組修理質(zhì)量的好壞，對(duì)發(fā)電機(jī)的性能有很大的影響。