长潭水库电站扩容改造
施华富
克瓦纳杭州发电设备有限公司 萧山市 311200
1 电站情况
黄岩长潭水库电站是以灌溉、供水为主，兼顾发电、防洪、养鱼等效益的综合利用水利枢纽，机组投入运行至今已有30多年，为黄岩市农村电气化事业作出了巨大的贡献。由于水轮发电机多年运行，常出现定子冲片松散，线圈绝缘老化、短路等故障而影响运行的可靠性，缩短了使用寿命，导致整个电力系统可靠性降低。
2 电站对扩容改造要求
电站对机组扩容改造的原则要求花钱少，改造周期短，多发电并且确保机组安全可靠运行，通过扩容改造容量增加20％，以达到提高经济效益的目的。
3 电站改造方案
3．1 水轮机改造方案
长潭水库电站机组为轴流转桨式水轮机。1）在额定水头24m、水轮机直径为1．9m、额定转速为333．3r／min运转时，水轮机出力保证值≥5210kW；2）当水轮机工作水头大于额定水头24m时，水轮机能超过额定出力而稳定安全运行其最大出力≥5860kW；3）当水轮机工作在水头达到30m时，水轮机能保证安全运行，不发生有害的振动和有害的变形。
3．2 发电机改造方案
由《同步电机电磁计算公式》及《水轮发电机设计与计算》的电磁推导可得出：
式中可知，发电机额定容量PN不仅与主要尺寸定子铁芯内径Di，定子铁芯长度Lt、额定转速nN和直轴瞬变电抗X′d有关，还与定子绕组绝缘的热传导系数λi和绝缘厚度δi有关。假定发电机的主要尺寸及额定转速不变，则PN∝（Xd′λi／δi）12，由于沥青绝缘的热传导系数λi为0．0016，环氧粉云母绝缘的热传导系数λi为0．0022，所以在绝缘厚度相同的条件下，将沥青绝缘更换成环氧云母绝缘，就可以使额定容量提高17％。在相同电压等级下，采用环氧粉云母绝缘材料可较60年代采用的沥青绝缘的厚度减薄10％～20％，若采用F级绝缘，主绝缘厚度还可进一步减薄，从而增加定子绕组导体截面积，使定子绕组温升降低，同时主绝缘减薄也有利于绕组散热。由PN∝（1／δi）12可见减薄绝缘厚度也可以有效地增加发电机的容量。
改进通风结构。扩容改造势必会增加线圈等部分的温升，减少通风损耗，不仅可以提高发电机效率，而且可以降低由这部分损耗产生的热量，降低电机的温升。
机组增容后会引起推力负荷增大，因此要采取一些措施以保证推力轴承能够安全运行。
4 发电机改造说明
长潭电站机组是50年代从匈牙利进口的。由于长期运行，定子冲片的漆膜老化，使定子冲片松散，槽楔滑落、位移，在转子强大的磁拉力作用下，每时每刻都要产生振动。定子冲片的振动，严重影响定子线圈直线部分绝缘层和冲片漆膜的剥落，漏磁增加，从而时常发生短路，温度偏高。这是扩容改造前的定子线圈的致命伤，针对这一缺陷改造时将重新设计并采用优质低损耗的冷轧硅钢片0．5DW310－50迭压，绝缘为F级。
原定子线圈是沥青绝缘，该绝缘缺点易游离，过热老化流酸，使用寿命短。改造后线圈绝缘采用F级环氧粉云母绝缘材料，耐热温度可达140°C，绝缘厚度也大大减薄了。线棒直线部分利用了Roble360°换位可以有效地克服股线所处磁场位置不同而引起的股线环流，直线部分和端部还分别包以半导体带、高电阻带并经热压模压制成形，使线棒和绝缘成为无间隙的严密均匀的整体，下线时定子铁芯喷以半导体防晕漆，线棒与铁芯间以半导体玻璃布板配紧，槽内各垫条均采用半导体玻璃布板。这些都有效地抑制了电晕的产生，并具有绝缘性能稳定、导热性能好、介质损耗低、耐潮湿、耐臭氧、刚度好、强度高及优良的蠕变性能。
在推力轴承部分，推力瓦与可调式支柱螺栓之间加上托盘后抵消了轴瓦的一部分热变形，同时还具有一定的轴向柔度，在运行时起到一定的平衡各瓦之间负荷的作用。而弹性金属四氟乙稀塑料瓦取代原来的钨金瓦，就能承受8．0MPa左右的单位压力。塑料瓦的弹性复合层在油膜压力作用下会产生弹性压缩变形来抵消钢坯的凸变形并具有自动调整瓦面变形和油膜压力分布情况的作用，使瓦面变形很小。同时还具有隔热、绝缘、径向平坦等优点。采用塑料瓦取消了高压油顶起系统，而且可以降低刹车转速。这对于减小刹车块的磨损和线圈端部的污染是很有好处的，它极大地提高了发电机推力轴承的安全可靠性、灵活性和适应性。
5 扩容改造内容
保留基础设施，水机除蜗壳与座环、尾水管不动外其余均和电机重新设计和生产。
5．1定子
由于原机组整个定子呈扁平状结构，发电机机坑高度较低只有1125mm，在这种情况下要将机组扩容到5000kW，在发电机层看还要美观，就不能将上盖板抬高。我公司通用定子冲片外径为3300比匈牙利机组要小。相对原机组而言，改造后定子呈细长型，故对电机的改造设计采取了一些主要措施：
1）机组的水平中心线往下移，线圈端部尽量设计得最短，极间连接线不在并头套的垂直方向而是改在旁边，高度方向不低于引线端部，导电环的层数设计为4层（3条并联支路数），这样引出线的高度比原来降低105mm。
2）将机座顶环往上移140mm，机座内开斜的通风道，机座外壁地平面高度再焊1条环，来固定上盖板，这样上盖板仍在原来高度上不动，将原来的单循环改为双循环，风阻减小，通风条件大大改善。
3）由于结构紧凑，线圈下端与下挡风板的最短矩离只有60mm，因此将加热器移到机座底环上，在有引出线的地方没有布置加热器，下灭火水管改在转子风扇的下端，以保证线圈导电环和引出线的最小对地距离。
4）将下挡风板分成3段，从外向内一段一段地安装，将下机架改造成悬挂式结构，通过螺杆、销固定下盖板附在下机架的下面。
5）齿盘测速及轴位移测量装置、机械过速保护装置等固定在下机架的下端。
6）采取基础板螺孔在工地配钻的办法。
发电机采用圆形定子机座。正常运行时定转子之间产生的电磁转矩，以及由于定转子偏心产生的磁拉力，或突然短路时定转子之间的电磁转矩，都通过鸽尾筋和鸽尾筋托块传递到定子机座上。机座与基础板之间装设径向销传递扭矩，并使机座在温度升高时在径向能自由膨胀，以消除定子铁芯翘曲应力，防止对定子绕组的损坏。机座将定转子之间的作用力和通过上机架传递到定子机座上的轴向力（包括转子重量、水推力等）传递到基础上。定子铁芯由定子扇形片通过齿压板、压板和拉紧螺杆叠压而成，并设置了一定数量的径向通风道。发电机定子上下端装设具有若干个水雾喷头的水灭火装置。为减少端部漏磁损耗，端箍采用反磁性材料。
5．2 转子
转子主轴由优质碳素结构钢锻件加工而成。磁轭由3mm厚的磁轭冲片通过上下磁轭压板和拉紧螺杆及定位销等叠压而成，并设置了径向通风道。磁轭与转子支架之间采用径向斜键胀紧，胀紧量将保证在低于分离转速时，磁轭与转子支架之间仍有一定的过盈。磁极包括磁极铁芯、磁极线圈和阻尼绕组等。磁极冲片的双“T”尾和磁轭冲片上的双“T”尾槽通过斜键胀紧，使整个磁极牢固在磁轭上，并承受机组在各种工况运行时磁极产生的离心力等。转子上下端均设有轴流式风扇，风扇和磁轭及磁极共同作用产生发电机密闭自循环通风所需的风量，将发电机内部的损耗传递给空气冷却器，保证机组的安全可靠运行。
5．3 机架及其他
机架均为辐射型机架。发电机的上下导轴承均采用垫片式分块扇形摆动钨金瓦结构形式。
机组的推力轴承为刚性支柱形式，包括推力头、镜板、支柱螺栓、轴承座、油槽及冷却器等。
多只冷却器对称地布置在定子机座周围形成一个密闭的循环冷却系统。空气冷却器散热片上采用的高新技术，使该空冷器比常规空冷器的热交换能力大幅提高，使发电机的散热效果大大改善。每个冷却器的进出口均有闸阀，以便冷却器退出和维修而不影响其他冷却器的运行，并可正反向进水。在每个冷却器以及供水管道上装有必要的温度计、压力表等检测元件。
制动器采用最新的油气分离式结构和压缩空气回复结构，保证了油气分开和活塞的复位并设有回复信号。发电机还设有上下盖板、上下档风板，防止轴电流的绝缘措施和大轴接地电刷装置等等。
6 结束语
黄岩长潭水库电站扩容改造采用最新绝缘材料经过成熟可靠的绝缘工艺编制，利用当前国内乃至世界电机行业中较为先进的弹性金属四氟乙稀塑料瓦以提高推力轴承承载能力和安全可靠性。通过发电机的更新改造，合理地增加了发电机的容量，提高了机组的运行安全可靠性，延长了机组的运行寿命，同时还可以缓解电能供应紧张的局面，创造可观的经济效益。
经过半年的扩容改造，该电站现已运行发电，情况反映良好，达到了扩容改造的各项经济技术指标要求。
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