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分析水电站水轮发电机转子磁极极间支撑件应用优化方案

2020-06-03 737 上传者：管理员

摘要：随着水轮发电机组设计制造技术的发展，机组的容量不断增加，发电机转子磁极的高度和重量也越来越大。作为在运转中保证转子磁极稳定的关键部件，磁极极间支撑件对转子磁极的安全运行起着举足轻重的作用。结合大型水电站水轮发电机转子磁极极间支撑件运行存在的问题，通过对梨园水电站600MW水轮发电机转子磁极极间支撑件的应用研究，优化改进磁极极间支撑件的设计、制造和安装过程，为大型水轮发电机转子设备的安全稳定运行提供了更加可靠的保证。

关键词：
600MW水轮发电机
安全管理
水能机械
转子磁极极间支撑件
转子设备
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梨园水电站发电机型号SF600-64/16880，为立轴半伞式三相凸极同步发电机，发电机额定容量666.7MVA/600MW。发电机转子主要由转子中心体、支臂、磁轭、磁极及附件等组成，全圆共64个磁极，磁极高3129mm，单个磁极重量约4.87t，磁极通过鸽尾与磁轭上相应的键槽挂接，磁极之间设有极间支撑件，极间支撑件由绝缘板和螺杆等组成。由于发电机转子属于长期高速运转设备，转子上任何设备及部件的异常都可能引发严重的设备事故，确保发电机转子磁极极间支撑件的稳定可靠是电站实现机组安全运行的关键。

1、水轮发电机转子磁极极间支撑件的作用

水轮发电机转子磁极极间支撑件一般为V字形或者梯形，其安装于发电机转子相邻两磁极中间，由主副拉紧螺杆、梯形块、绝缘支撑块等组成（见图1）。当转子高速运转时，支撑件利用其拉紧螺杆在转动中所产生的的楔紧作用[1]，使前端支撑块将相邻2个磁极撑紧，保证磁极在运转中不发生位移、变形等故障，确保机组设备安全稳定运行。

图1 支撑件示意图及安装实图

2、大型水电站水轮发电机转子磁极极间支撑件存在的问题

据资料记载，近几年投产的大型水电站，由于水轮发电机转子磁极极间支撑件运行不稳定，导致发电机组出现不同程度安全事故的案列时有发生。某投运3a的700MW水轮发电机组，检修拆卸发电机下挡风板时，发现下挡风板上有若干金属块，经对转子全面检查，发现有1个磁极极间支撑件的其中1个副拉紧螺杆断裂，造成发电机部分定子线棒被断裂甩出物破坏，定子铁芯局部损坏，致使发电机转大修处理[2]；无独有偶，某投运不到1a的600MW水轮发电机组，开机至空载过程中转子接地告警，发电机不完全差动保护动作停机，经停机检查，发现发电机转子有1个磁极极间支撑件的M16主拉紧螺杆断裂，绝缘支撑块后端连接的梯型块（不绝缘）前移，与2个磁极线圈接触，致使发电机励磁回路短路，转子磁极轻微受损，发电机转检修。以上案例，均为发电转子磁极极间支撑件拉紧螺杆断裂，导致发电机发生不同程度的安全事故。由于转子磁极极间支撑件由两百余根拉紧螺杆拉紧，受拉紧螺杆加工制造和安装工艺的影响，很难保证拉紧螺杆绝对可靠。因此，为实现即使支撑件拉紧螺杆断裂也不至于发生较大事故，必须对支撑件的绝缘支撑块及紧固件进行优化改进。

3、梨园水电站水轮发电机转子磁极极间支撑件应用优化方案

3.1 新型磁极极间绝缘支撑块选型设计

基于常规大型水轮发电机转子磁极极间绝缘支撑块（见图2）存在紧固件断裂易甩出、绝缘支撑块连接附件可能导致转子磁极短路烧损等问题，梨园水电站综合运行经验，结合发电机转子磁极极间绝缘支撑块现状和狭小安装位置的实际，为保证绝缘支撑块运行更加安全可靠，研究提出了绝缘支撑块及附件新的选型设计方案。新选型设计的磁极极间绝缘支撑块（见图3），其尾部用环氧树脂绝缘材料整体成型加工了尾翼，该绝缘支撑块安装紧固在转子两磁极之间，绝缘支撑块的尾翼伸长于磁极线圈内侧，实现即使支撑件的紧固螺杆断裂，也是绝缘支撑块的尾翼与磁极线圈接触，绝缘材料不会导致磁极线圈短路烧损，同时，依靠尾翼的阻挡，支撑块不至于甩出磁极之间，不会破坏发电机定转子气隙和定线线棒。

图2 常规磁极极间绝缘支撑块图

图3 新选型设计的磁极极间绝缘支撑块图

除了对绝缘支撑块进行优化选型设计外，为防止紧固件的断裂甩出，梨园水电站在优化设计方案中对绝缘支撑块的拉紧螺栓孔外端头也设计增加了带螺纹的环氧树脂绝缘封堵堵头（见图4），并且在使用螺纹堵头对拉紧螺栓孔外端头进行封堵的基础上，还使用高强度绝缘密封胶填满绝缘堵头，确保堵头缝隙及整个螺栓孔外端头严密，实现了即使拉紧螺杆等紧固件断裂也不会甩出破坏发电机定转子部件。

图4 环氧树脂绝缘堵头与新型绝缘支撑块及附件图

3.2 绝缘支撑块组合及拉紧螺杆加工

要实现设备及部件的整体质量和性能，除了有很好的选型设计，还需要有设备及部件的材料和制造加工工艺的保证。梨园水电站在新型转子磁极极间绝缘支撑块和配套拉紧螺杆的加工制造方面，选用新型环氧树脂绝缘材料作为绝缘支撑块的材料，加工制造时使用1套模具，使绝缘支撑块及尾翼一次成型，确保尾翼的强度足够；选用42CrMo合金钢作为拉紧螺杆材料，同一台套M16和M12的拉紧螺杆一次加工成型，一次淬火处理，保证螺杆加工质量和工艺标准一致。同时，削薄绝缘支撑块后部的连接梯形块小头，用新型环氧树脂材料加工一块与绝缘支撑块尾翼尺寸一致的绝缘板，安装时用环氧胶使其先与绝缘支撑块尾翼粘贴，再整体与梯形块小头贴合，保证强度的同时实现了梯形块靠定子线圈一侧的绝缘。

3.3 绝缘支撑块及螺杆质量检测

由于转子磁极极间绝缘支撑块及紧固件的质量好坏直接影响发电机的安全运行，为确保绝缘支撑块及螺杆等附件加工质量的合格，各设备部件加工制造过程中，梨园水电站邀请第三方监造，并派专人全过程参与绝缘支撑块和螺杆的选材及加工制造，同时出厂前现场见证制造厂开展设备元素分析、金相组织分析、力学性能试验、硬度分析试验等质量检测[3]，确保每一套设备及部件出厂合格。为防止设备及部件运输和搬运过程受损，绝缘支撑块及附件到达安装现场后，梨园水电站邀请第三方按标准再次进行质量抽检，并在安装前对每一个绝缘支撑块及拉紧螺杆进行外观再检查和探伤检查，现场检查合格后立即实施安装，以严密的质量检测尽力确保质量万无一失。

3.4 支撑件更换安装

梨园水电站在发电机转子磁极极间支撑件现场更换安装过程中，转子吊出调平后，首先进行修前转子圆度测量，记录更换前转子圆度及磁极位置，然后进行旧支撑件拆除。由于支撑件安装位置十分狭窄，施工作业面小，拆除施工过程安排专人全过程监护，严防拆除工作损伤转子磁轭及磁极。旧支撑件拆除后，在新支撑件安装前，先按标准（M16拉紧螺栓使用力矩110N·m,M12拉紧螺栓使用力矩50N·m）

调整好力矩扳手紧固力矩，按照配比(环氧胶与稀释液3:1)和使用时效要求调配好紧固胶及密封胶，安排同一组人、使用同一把力矩扳手和同一批耗材，对绝缘支撑块及螺杆进行预安装、配合调整和最终紧固，并由另一组人对绝缘支撑块及螺杆的找正找平情况进行首检和复检，确保绝缘支撑块安装位置对正，主副拉紧螺杆位置对正并紧固适当，各密封胶涂抹严实，绝缘支撑块螺孔绝缘堵头安装紧固无裂纹。一套设备及附件安装复检完成后，进行整体涂刷绝缘漆和转子圆度及磁极位置复测，确保更换前后转子圆度和磁极位置不变，转子设备恢复原状。

3.5 优化改进效果检验

为进一步检查改造安装效果，转子吊入发电机机坑前，需按规程对转子每一个磁极和转子整体进行绝缘电阻、吸收比、直流电阻及交流阻抗的测试[4]，确保各项试验数据合格后，进行转子整体交流耐压试验，各项试验和检查均合格后，将转子吊入回装。在静态检查和试验的基础上，机组启动调试阶段，梨园水电站还安排了机组过速试验和过速试验后盘车检查，通过内窥镜与人眼重复查看转子磁极极间绝缘支撑块及拉紧螺杆，确保各设备部件无位移，过速运转后设备及部件状态正常。

4、结语

通过应用研究和优化改进，新型水轮发电机转子磁极极间支撑件具有更加有效且可靠的抗破坏能力和绝缘性能，能够更好的保证发电机转子磁极安全运行稳定。水轮发电机转子及附属设备为长期高速运转的大型带电设备，为保证发电机转动部件的长期安全可靠运行，需要设备设计、制造、安装单位的超前预想和精益求精，更需要运行单位在运行中严密监视检查和不断应用优化。

参考文献：

[1]于文超.天荒坪抽水蓄能电站发电电动机转子磁极变形原因分析及建议[J].小水电,2013,(4):86-89.

[2]王艳武,王建刚.大型水轮发电机转子极间支撑结构可靠性分析[J].上海大中型电机,2015,(3):19-20.

[3]GB/T3098-2010紧固件机械性能.螺栓､螺钉和螺柱[S].

[4]DL/T596-2005电力设备预防性试验规程[S].

舒安稳.600MW水轮发电机转子磁极极间支撑件应用研究与优化[J].云南水力发电,2020,36(02):143-145+161.