南津渡水电站发电机定子线棒国产化改造

陈敬明 胡立新 李效革

（湖南省南津渡水电站 永州市 425000）

1 概 述

1.1 电站概况

南津渡水电站座落在湖南省永州市零陵区，系潇水流域梯级开发未端电站，是一座截弯取直引水发电的灯泡贯流式电站，电站装机3台，单机容量为20 MW，总装机容量60 MW，设计水头：14.5 m，水轮发电机组系引进奥地利VOITH公司、ELIN公司设备，年设计发电量2.93亿万kW·h，设计年利用小时数为4 891 h。

1.2 更换改造原因及项目内容

南津渡水电站于1991年并网投入运行，1999年7月1#发电机首次出现定子线棒主绝缘烧损故障以后，3台发电机线棒在5年内连续出现6次定子线棒绝缘烧损、开焊等故障，鉴于发电机定子线棒存在严重电晕、电腐蚀，定子线棒整体绝缘状况下降。电站决定将机组定子线棒国产化更换。国产化改造工程主要内容是：3台发电机组定子线棒 （单台288槽，576根线棒及跳线、汇流排，测温探头、绝缘盒等）的设计、制造、更换（包括旧线棒的拆除）、试验工作，定子铁芯的检查、试验、处理工作。国产化任务由天津重型水电设备公司承担。

1.3 发电机定子线棒绝缘电腐蚀、电击穿的主要原因分析

1.3.1 槽内绝缘结构设计存在缺陷

根据ELIN图纸和产品实物，表明定子线棒在槽内的固定靠填充和注入硅橡胶形成的支点支撑，在线棒表面与槽壁之间存在着大量的空气间隙。线棒表面与定子铁心槽壁之间的间隙中空气在电场的作用下就会电离而产生电晕，电晕必然对定子主绝缘产生电晕腐蚀，主绝缘又是由云母粉、胶和玻璃丝补强材料构成，虽然片云母具有较高的抗电晕性能，而云母粉由胶粘合在一起，但胶并不耐电晕的腐蚀。故主绝缘长期在电晕腐蚀的作用下必然导致击穿。槽内拆卸出来的线棒证明，其表面被电晕腐蚀得十分严重：主绝缘被腐蚀成白粉状物，而散落在端部线棒表面。

1.3.2 定子线棒槽内部分的防晕结构起不到防电晕作用

定子线棒在槽内部分被电晕腐蚀，其根本原因与防晕结构有关，原有线棒发生严重的电晕腐蚀说明了原设计的防晕结构不成功。从线棒实物看其槽部表面只涂了一层防电晕漆，不管其内部有没有内屏蔽，这种防晕的作用是失败的。因为它没有起到防晕的作用。

这薄薄的一层防电晕漆极易被损坏和脱落，一旦线棒表面防晕漆有一处脱落，此处即发生电晕，且电晕随时间的增长越来越严重，随着电晕的发生、发展和升级，随之而来的是线棒被电晕腐蚀，且越来越严重。从被击穿的线棒表面上看，其防晕漆已荡然无存，主绝缘云母带裸露在线棒的外表面。

1.3.3 风路设计不合理

ELIN公司在该机上采用空气轴向强迫通风密闭循环的冷却方式，冷却介质为二次冷却方式。这种冷却方式是可行的。但是，轴向通风与径像通风比较，径向通风电机的各部分温升都比较均匀，而轴向通风的电机在轴向长度上存在着较大的温差。

ELIN在设计该风路时存在严重缺陷：

（1）在电机的上下游绕组端部无风穿过。

附图为南津渡水电站风路示意图，从图上可以明显看出上下游端部线棒无风穿过，电机内的冷风分为两路：一路风在磁极与磁极之间通过；另一路风从定子表面与转子磁极表面主气隙中通过，线棒端部得不到很好的冷却，特别是线棒热端其温度必然很高。

附图 南津渡奥机通风示意图

（2）定子铁心齿部无通风孔。

根据我国几十年的设计和实践表明，采用轴向通风定子铁壁定子铁心齿必须开通风孔，这样定子的整个温升才能控制在设计计算值内。

总之，由于风路设计的缺陷致使定子温升升高、定子铁心、定子线棒的直线部分上、下游的温差加大，特别是上游侧定子线棒端部温度最高，所以线棒击穿，接头开焊的事故、线棒表面电晕腐蚀严重现象均集中发生在上游侧是可以理解的，也是必然的。

2 改造技术方案设计

2.1 发电机定子改造线棒的设计

改造线棒的设计必须针对解决上述电晕腐蚀问题而设计。

2.1.1 线棒防晕结构的选择

为了防止电晕腐蚀线棒现象的再度发生，必须在改造线棒上采取成熟可靠的防电晕结构。改造线棒采用两段防电晕结构：直线部分包低电阻防电晕玻璃丝带，端部包高电阻防电晕玻璃丝带，在制造工艺上采用防晕层与主绝缘一次模压成型。这一结构型式早已应用在13.8 kV电压等级的水轮发电机上，如辽宁省长甸水电站SF75-40/8540，额定容量7.5 MW；湖南省东江水电站SF125-36/8900，额定容量12.5 MW；贵州省东风水电站SF170-32/8950，额定容量170 MW的水轮发电机上，最长运行时间已有30年，均未发生过电晕腐蚀问题。

2.1.2 控制线棒的起晕电压

线棒防晕结构成功与否和水平高低，由单个线棒在制造厂内进行耐压试验时的起晕电压值的大小来衡量。

2.1.3 槽内侧壁下线间隙的处理

线棒的成型是用模压的方式，所以线棒的尺寸必然有公差，为了消除线棒和槽壁之间的间隙，在线棒下线时，根据线棒尺寸的大小，在线棒上包绕不同层数的低电阻半导体柔软玻璃布带，而线棒在槽内高度方向的间隙靠槽底、层间和楔下的半固化涤纶毡适形材料垫条来填充，使槽内无空气间隙存在。

2.1.4 定子铁芯槽内喷低电阻半导体漆

为了使线棒表面与定子铁芯槽壁等电位，天重公司在槽内喷与线棒直线部分表面等电阻值的半导体漆。

2.1.5 线棒主绝缘厚度的设计

根据现有定子铁芯槽形尺寸，为了保持电机定子线棒原有的温升水平不变，又要实施线棒在槽内部分的防电晕措施，线棒的主绝缘的厚度，只有取2.7 mm。为了使线棒有高的电气强度和良好的机械性能，天重公司选用了特种云母带9545-1H（特）—高耐电压强度桐马环氧粉云母带，比天重公司一般产品使用的5440-1桐马环氧粉云母带性能要优越得多。天重公司用9545-1H（特）—高耐电压强度桐马环氧粉云母带制成的线棒，实测的试验数据表明线棒的主要指标均达到了大型水轮发电机产品质量分等标准DS/ZJ011-2002规定的优等品，具体数值见表1。

表1 试验数据表

2.1.6 在槽内和线棒端部固定上广泛使用涤纶毡适形材料

2.1.7 线棒股线的选择与发热参数

（1）股线的选择。

因定子铁芯槽形尺寸已定，槽内要留有线棒直线部分的防晕结构的尺寸，还要留有层间垫条适形材料的尺寸，同时还要保证主绝缘厚度的尺寸，以及线棒制造公差、叠片公差数值，最后给股线留下的空间就有限了。由于定子铜线温度较高，故股线截面铜线尺寸只能保持原有尺寸而不变，最终股线绝缘的单边厚度只能由0.25 mm改成0.20 mm，所以不能采用一般线棒采用的双玻璃丝包扁线，而用特种绝缘股线—双涤纶玻璃丝包烧结铜扁线，其股线性能见表2。

表2 股线性能

（2）发热参数（表 3）。

表3 发热参数

由于股线中的铜线总面积保持不变，电流密度不变，而电机的线负荷：

式中IN——发电机的额定电流；

Sn——定子绕组每槽有效导体数，Sn=2；

t1——定子冲片齿距（mm），t1=46.905 8 mm；

Di——定子冲片内径 （mm），Di=4300 4300 mm；

Z——定子冲片槽数，Z=288；

2.1.8 线棒的防晕结构和槽内防晕措施的最终效果，槽电位优于国标

槽电位是衡量线棒的防晕结构和槽内防晕措施最终效果的重要指标，它预示着该机在运行后电晕的状况和程度。天重公司生产的产品在线棒嵌线后均可达到表4所列数值，此值优于国标要求。

表4 嵌线后槽电位

2.2 更换定子线棒的主要技术性能说明

（1）发电机定子线圈的接线图、线棒外形尺寸按照ELIN公司技术图进行改造。定子绕组为条式双层波绕组，星形连接。

（2）发电机线棒载流截面尺寸单根为2.5×5.0×26 mm2，同时所有上（或下）层线棒形状及几何与原线棒基本尺寸相同。

（3）定子线棒主绝缘为F级，按照天重公司的绝缘体系进行即线棒对地主绝缘方式采用环氧云母带连续绝缘多胶模压体系，外包防晕带，与主绝缘一次模压整体成型。

（4）为减少发电机槽部漏磁引起股线环流增加的附加损耗，所有定子线棒均在有效定子铁芯叠片的全长采用360°换位方式。

（5）所有线棒之间的端部连接（包括跳线）均采用银铜硬焊连接方式。各焊接接头焊料充实，表面光滑，无棱角、气孔及空洞现象出现，各焊接接头的直流电阻测量值保证在国标允许范围内。发电机定子绕组三相直流电阻不平衡差值≤2%。

（6）线棒端部绝缘盒的绝缘处理采用国产绝缘盒专用灌注胶，以方便日后维护工作。

（7）发电机定子线棒结构强度，能在额定负荷以及端电压等于105%额定电压下，承受定子出口对称或不对称突然短路，历时3 s而不产生有害变形。

2.3 定子线棒改造后达到的标准

（1）定子绕组绝缘的交流50 Hz耐压标准按GB 7894-2001《水轮发电机基本技术要求》规定；定子组装在现场安装完成后，应能承受表2所规定的50 Hz交流 （波形为实际正弦波）绝缘介电强度试验，历时1 min不被击穿。

（2）在进行交流耐压前对定子绕组进行3倍额定电压的直流耐压和泄漏电流测定。

（3）定子绕组单个线棒在1.5倍额定线电压下不起晕。

（4）定子绕组在1.3倍额定相电压下进行整体电晕试验时，无持续可见电晕。

3 定子线棒改造后的效果

根据南津渡水电站1#、2#、3#发电机组定子线棒改造前后的各项试验数据及运行情况，机组国产化改造后其实际的出力、运行温度、振动各项运行指标满足合同技术要求。根据当前国外备品线棒报价及国产化改造工程造价的比较情况，电站3台机全部改造完毕，可直接为企业节约资金近1.3亿元。这一成果不仅为引进灯泡贯流式发电机组定子绕组的国产化改造打下良好基础，也为其它国外F级绝缘发电机组出现电晕、电腐蚀问题提供有效的解决方法。由于线棒载流截面没有改变，发电机线槽运行温度仍存在偏高的问题，为降低发电机定子线棒及铁芯的运行温度，延长发电机使用寿命，下一步电站将着手机组冷却系统的改造，从而改善发电机的运行环境，确保机组安全稳定运行。