深溪沟水电站大容量轴流式水轮发电机设计

2011-06-27汪小芳黄道锦

四川水力发电 2011年2期

汪小芳，黄道锦

(东芝水电设备(杭州)有限公司，浙江杭州310016)

深溪沟水电站位于四川省雅安市汉源县和凉山州甘洛县接壤处，为大渡河干流规划的第十八级电站，其上一梯级电站为瀑布沟水电站，下一级为规划中的枕头坝水电站。深溪沟水电站为河床式布置，安装间布置在右岸山体内。深溪沟水电站主要任务为发电，为上游瀑布沟水电站的反调节电站。电站装设4台单机容量为165MW的轴流转桨式水轮发电机组，总装机容量660MW。工程于2006年4月开工，2007年11月河床截流，2010年6月首台机组发电。

1 发电机基本技术参数

发电机型号SF165－66/13640

额定容量183.34MVA/165MW

额定电压15.75kV

额定电流6721A

额定功率因数0.9(滞后)

额定频率50Hz

额定转速90.9r/min

飞逸转速273r/min

绝缘等级F/F(定子/转子)

额定励磁电压435V

额定励磁电流1600A

发电机GD2＞61000t－m2

推力负荷3070t

旋转方向俯视顺时针

2 发电机总体结构

深溪沟水电站发电机为立轴半伞式、密闭自循环空气冷却的三相凸极同步发电机，主要由定子、转子、上下机架、上下导轴承及推力轴承、制动和顶起系统、灭火系统、空气冷却系统、自动化系统等组成，总体结构形式见图1。

该发电机的结构设计可以使下机架及水轮机所有可拆部件在安装和检修时能通过定子内腔吊出，并可以在不吊出转子和不拆除上机架的情况下更换转子磁极和定子线棒，以及对定子绕组端部等处进行预防性检查。

发电机轴系采用三段轴(含转子中心体)结构，即转子中心体上部设有上端轴，下部设有发电机主轴，三者联成一体，与各部轴承构成轴系，属于有两个导轴承的半伞式发电机。上导轴承布置在上机架中心体内，下导轴承布置在下机架中心体内，两者距离转子中心分别为1950mm和1500mm。经计算分析，发电机与水轮机组装后，轴系的临界转速为飞逸转速的1.25倍以上，表明轴系在运行时具有足够的稳定性。发电机主轴与转子支架采用外法兰联结，联轴螺栓为15个M120×4，通过液压拉伸器拉紧，同时设置了5个特殊结构的扭矩键，从而可以安全可靠地传递运行过程中的扭矩。

发电机采用机械制动。在下机架支臂上设置了10只三腔三活塞油气分离、气动复位式制动器。制动器主活塞直径为315mm，最大行程40 mm。制动块采用非金属无石棉材料，摩擦系数大，磨损率低，粉尘少，不污染环境。在制动器下层活塞下可送高压油以顶起转子并设机械锁定装置，以保持转子在顶起的位置上而无需保持连续的液压。制动时气压为0.6～0.8MPa，顶转子油压为13.5MPa。

图1 发电机总体布置剖面图

为防止轴电流通过轴瓦形成回路而使轴瓦损伤，在上导轴承导轴瓦背部设置了两层绝缘。两层绝缘之层间夹一片中间金属板，用导线将轴瓦和中间板引至发电机端子箱，以便作轴承的绝缘电阻测量。另外，在下机架上安装轴电流互感器以监测轴电流的发生，在互感器下方装设主轴接地碳刷用于转子一点接地保护。

在发电机机坑内配置了5个电加热器，功率为3kW，用于停机时防止受潮结露。

3 定子

定子由定子机座、定子铁心、定子绕组等组成。在工地进行定子机座把合、铁心叠片和绕组下线等工作。

定子机座由钢板焊接而成，正二十四边形，对边尺寸为15250mm，高2700mm。机座在工厂组焊加工，分6瓣运至工地，在现场无需做结构性的焊接，仅用合缝法兰连接螺栓把合成整体即可。机座设顶环、上环、中环和下环，穿过中环沿圆周在与鸽尾筋相对应的位置设置支撑棒以提高其整体刚性。机座下环底部设置了12处基础板，采用螺栓与基础连接，通过径向键定位并传递扭矩，这种结构可适应机座热变形以及铁心的径向热胀冷缩，从而有效避免了铁心产生“翘曲”现象。

定子铁心外径为13640mm，内径为12850 mm，高1650mm。定子铁心采用厚0.5mm的低损耗、无时效、无取向、优质冷轧高磁导率的硅钢片叠压而成。冲片表面均匀涂覆固化时间短、收缩率小、硬度高的F级绝缘漆以降低涡流损耗。定子铁心高度方向分为45段，通风沟高5mm，通风槽钢采用非磁性不锈钢材质。为降低端部漏磁和损耗，在铁心的上下两端齿部设置了阶梯段落。定子铁心采用分块式上、下齿压板压紧结构，通过设置于铁心背部的拉紧螺杆压紧，并依靠装于螺杆内径侧的鸽尾键定位。在拉紧螺杆上端加装碟形弹簧以保证定子铁心在长期运行后仍能保持给定的压力。

定子绕组为双层条式波绕组、3支路星形连接。绕组绝缘等级为F级，线棒主绝缘采用VPR(真空液压多胶绝缘)成型工艺。定子线棒采用槽内360°罗贝尔换位以降低附加损耗并均衡线棒中股线间的温差。定子线棒在工地机坑内整圆下线，上下层线棒端头采用连接片一体银焊的结构。定子线棒由槽楔、楔形板和波纹板牢牢地楔紧在槽内，端部由非磁性不锈钢端箍固定。

4 转子

转子由磁极、磁轭和转子支架等组成。转子外径12804mm，转子装配重量约620t(不含吊具)。

转子支架采用圆盘式结构，由中心体、上下圆盘、立筋以及径向辐板等组成。为便于运输，在厂内分为中心体和四个外环件进行精加工制造，到工地后再组焊成整体。转子支架外周布置16根立筋(不均布)，每处立筋由主、副立筋板组成，副立筋到现场配刨加工之后再进行组焊。在转子支架下圆盘上装配可拆卸的分块式制动环，制动环通过螺栓固定在转子支架上，并由垫片调整水平。

转子磁轭为热打键结构，分离转速为额定转速的1.25倍。整体磁轭由4.5mm厚经激光切割制造的低合金高强度钢板WDER650在现场叠压而成，通过螺杆把紧并传递冲片间的作用力。叠片采用两片一叠、层间错开一个极距搭叠，用导向销定位导向，不需要在现场对磁轭进行铰孔。磁轭整圈由16张冲片组成，冲片接缝处留有210 mm宽的通风间隙。磁轭与转子支架采用径、切向复合键连接结构，能保证正常运行时的磁轭圆度，并能有效传递扭矩。

磁极铁心采用1.5mm厚WDEL250高强度专用冷轧钢板冲片叠压而成，通过螺杆压紧。磁极为单鸽尾结构，通过磁极键固定在磁轭上。磁极线圈由异形断面的半硬紫铜排焊接而成，设有冷却翅，具有良好的散热性能。线圈匝间垫以Nomex绝缘纸，与铜排热压成一体。线圈与铁心间用绝缘板塞紧，对地绝缘可靠。线圈上、下端均设置了整体绝缘法兰，线圈靠近磁轭侧用硅胶填满间隙，磁极到现场后无需脱出线圈清扫即可直接挂装。磁极装有纵、横轴阻尼绕组，阻尼环之间采用柔性连接，以防止因振动和热位移而引起故障并便于拆卸和更换。

5 上机架及上导轴承

上机架为非负荷机架，由中心体和12条支臂组成，支臂在现场与中心体组焊成一体。上机架支臂通过螺栓和销钉固定于定子机座顶环上。

上机架中心体内装有12块上导轴瓦，采用支柱螺栓支撑结构。通过调整螺栓即可方便地调整轴瓦与轴颈之间的间隙，瓦背面装有能使瓦灵活倾斜的球面支柱支撑结构，将径向力通过支撑柱传到机架上。

在上机架中心体下方装设上导油槽，上导轴承采用内置抽屉式油冷却器冷却方式。油槽盖板采用TNS型接触式密封盖。该装置的密封齿沿圆周为多等分结构，每瓣均能与轴形成径向追踪、与转轴表面紧密接触，实现无间隙运行，能有效防止甩油和油雾逸出。由于其是与转轴接触运行，因此在安装时无需调整间隙，操作十分方便。在TNS型密封盖上设有特殊结构的油雾过滤呼吸器，其主要由本体、折流板、集油器等组成。在油雾通过折流板到集油器的过程中，由油雾凝结成的油滴返流回油槽内，而经过过滤的空气被排出。这种结构有效地平衡了油槽内外的压力，阻止了油雾的逸出，也省去了专门的排油雾管路，使得结构大大简化。