水轮发电机组增容中的发电机转子改造

农少安

摘 要：借助新技术和新材料进行机组增容技术改造，可以在一定程度上挖掘电站潜力，提高发电效益。水电站机组增容改造一般要涉及水轮机转轮改造、调速器改造、发电机定子和转子改造、励磁装置改造、辅助装置改造等多个环节。其中发电机定子和转子改造因其腾挪空间很有限，并需要进行大量电磁计算，如何在不改变原转子铁芯的基础上增加其安匝数往往成为技术难点和亮点。结合某中型水电站机组増容技术改造的实践效果，研究水轮发电机转子改造的新途径和技术要点，为同类型项目提供了一种技术借鉴。

关键词：水轮发电机；电磁参数；转子线圈；电磁计算；磁极托板

中图分类号：TV734 文献标识码：A

1.概述

该水库坝后电站于1973年7月建成投产，原设计装机容量3×6.5MW，水轮机型号为HL702-LJ-140，额定水头Hr=50.5m，额定出力Pr=6.803MW。项目前期对机组进行了性能测试，测试分析意见认为，机组经30多年运行，水轮机汽蚀磨损严重，机组效率明显下降。3台机组效率均低至80%，水资源浪费严重，影响电站的发电效益。为了充分利用水资源，发挥电站工程效益，需对机组进行大修和技术改造，将原设计装机容量由3×6.5MW增容至3×7.15MW（即增容10%）。注：发电机定子已在上一次大修时按增容10%更换了绕组。主要技术改造项目如下：

1.1 水轮机转轮改造

性能测试和拆机观察结果表明，HL702转轮制造质量不高，空化性能较差，空蚀破坏严重，是效率下降的主要原因之一。因此决定更换3台机组的水轮机转轮，提高效率，减小汽蚀，并按10%容量扩容。经技术和经济论证，采用新转轮型号为：JF2589a-LJ-140。

1.2 调速器改造

原调速器为CT-40型机械液压调速器，电气元件老化，接力器摆度双幅达3mm左右，性能较差，必须对YDT-40型调速器进行技术改造，更換电气控制柜及主配压阀（含主配压阀）以上的机械液压系统控制部分。改造后的调速器型号为YWT-40型（可编程微机调速器）。

1.3 发电机转子改造

3台发电机转子均保留原电机的转子铁芯，更换转子线圈，改变励磁电流，满足机组扩容后的功率因数要求（以下将重点论述此部分）。更换3台发电机的励磁装置，经技术和经济比较，采用DLT6000微机型励磁装置。

1.4 励磁装置改造

发电机参数：额定功率7.15MW，功率因数0.8，额定电压6.3kV，额定励磁电压118V，额定励磁电流441A。发电机増容后转子参数改变，相应需配套励磁装置改造。

2.发电机转子改造

2.1 发电机电磁计算

（1）对原发电机电磁参数的复核

原发电机图纸结构尺寸，定子线规1.68×6.90、转子线规3.53×35、转子线圈匝数52.5、气隙13.5等。据此进行电磁参数复核结果：原发电机要发出8125kVA视在容量需要励磁电压142.40V、励磁电流426.82A。而原运行规程标写励磁电压137.5V、励磁电流400A。即励磁容量欠10.5%，所以原发电机无功不足。影响无功不足的另一原因是实际气隙平均值大于13.5mm。气隙是电磁计算一个基本而又很重要的原始参数，对于旧机组，经多年运行，转子气隙的实际值与其原设计值通常会发生不同程度的变化，因此需要安排实测取得其可靠数据。

根据发电机结构尺寸（定子线规2×7.1、转子线规3.53×45、转子线圈匝数53.5、气隙13.5等）进行电磁参数计算结果：增容后发电机要发8938kVA视在容量需要励磁电压117.53V、励磁电流441.36A，短路比1.016。改造后虽然用铜略有增加，但转子温升确可下降20C。因而可为丰水期增大出力留有更大裕度。电磁计算结果（主要参数）见表1。

（2）发电机增容10%已完成的定子线圈

在上一轮大修时，更换了发电机定子线圈。当时已决定发电机增容10%。定子线规（mm×mm）从1.68×6.9变为2×7.1，定子绝缘等级从B级变为F级。

2.2 发电机增容10%的转子线圈改造分析

短路比：水轮发电机的短路比一般为0.9～1.3，标准值为1.1”，改造后仍需保持发电机短路比大于1.0。转子改造仍按原设计气隙13.5mm进行计算。

改造转子的方案一：利用原来的旧线圈经无氧炉退火，除去旧的绝缘材料，再增加线圈匝数并提高绝缘等级后翻新处理实现。优点是节约铜材，价格较便宜。缺点是必须在转子内部进行线圈接驳，旧线圈在处理过程中容易损伤，结合部位容易造成隐患；新旧线圈材质不容易保证一致性。

改造转子的方案二：按扩容后的容量要求全部更换线圈并提高绝缘等级。优点是线圈一次成型，容易保证技术性能指标。缺点是线圈需要的铜材较多，制造周期较长，价格较高。

经比较决定采用方案二，全新更换磁极线圈。要保持磁极温升不变，即保持总的转子功率损耗基本不变。磁极的总损耗主要由铜损和铁损组成，由于发电机转子的励磁安匝数提高了，所以铁心内的磁通Φ值增加，相应磁感应密度B增加，必然会引起转子磁极内的铁损增加，为了让转子铁心的温升基本不变，必须减小铜损来补偿铁损的增加。铜损正比于I2R，I增大，则R要减小很多，线圈的截面积S必须增大。通过上述分析，这次转子的扩容改造，只能通过增大导线截面积并适当增加匝数来保证励磁安匝数的提高。由于是利用原有的转子磁极铁芯，结构上的原因，径向空间不多，但转子圆的切线方向仍有较大空间，此方向增加截面是可行的。

铁芯的单位体积荷载容量是有限的，只能最大限度地去开发其未利用的潜在荷载能力。结合现在技术、材料方面的进步条件，旧转子可开发利用的空间通常在如下两个部位，其一是绝缘材料的优化更新，可以挤出多一些物理空间；其二是绕组铜线材料质量的提高，对载流量的提升很有帮助。当然，居于温升、涡流和迟滞损耗平衡的要求，转子必须有一个合理的“铜、铁比”。

发电机的气隙是增容改造时电磁计算的重要依据，它与发电机的短路比、励磁参数等重要性能指标直接相关。但旧机组由于是早年的设计，往往缺失安装后的实际数据资料，这给计算带来了困难。如误差太大，将造成改造后无功出力比设计值稍偏小，即无功潜力得不到充分地挖掘。

依据上述分析，本技术改造考虑以增加励磁电流为主，增加转子线圈匝数为辅的思路设计改造方案。这样转子的“铜、铁比”不会有大的变化，免去复杂的电磁设计，施工的可行性也有保障。

2.3 转子线圈的改造处理

（1）转子线圈与绝缘设置

随着技术进步，现在转子线圈匝间绝缘可由原来的0.4mm厚下降至0.3mm厚（即垫以0.1mm厚的苯二酚玻璃坯布3层），因此原来机身高度尚有富裕，可以在原有基础上增加一匝，即由52.5匝增加至53.5匝。为确保转子温升值能够下降，应增大转子线规的截面，即由原来的3.53×35改变为3.53×45。磁极绝缘由原来的B级变为F级。线圈压模成形环节非常关键，它对现场组装难度和三相电磁参数的对称性有决定性的影响，因此制作时应控制尺寸为微负偏差。改造后的磁极线圈如图1所示。

原磁极托板材料为10mm厚酚醛绝缘板，新磁极托板材料为10mm厚3240环氧玻璃坯布板。环氧玻璃坯布板的机械强度优于酚醛绝缘板，有利于满足飞逸转速下的抗压性能。由于接头片尺寸变化，相应其缺口（槽）尺寸也变化。此缺口（槽）的加工至关重要，要兼顾线圈绝缘布置和磁极托板强度两方面的要求，偏一则败。改造后的磁极托板如图2所示。

（2）转子直流电阻和阻尼绕组

经计算増容后，额定励磁电流为441.36A，要求转子直流电阻为0.25Ω（75℃）；实际可做到0.2262Ω（75℃）。

由于增容不大，所以阻尼绕组尺寸不必核算，只需核算“Ω”形接头片的截面。

2.4 发电机的飞逸转速

因转子线圈重量增加，磁极靴受力也有所增加，理论上发电机的飞逸转速应略有减小。但仍按原发电机标志的飞逸转速785r/min进行核算，结果是：

①磁极托板由酚醛板改为3240环氧玻璃坯布板，其挤压强度满足要求。

②改造后磁极靴的最大应力仍在材料许用应力范围内，能满足强度要求。所以，增容后发电机的飞逸转速仍然标785r/min。

3.工程效果实例

测试结果表明：在相近水头，改造后机组最大出力比改造前机组最大出力大约增加1.7MW；水轮机效率提高約13%；同样出力下，改造后水轮机所需流量最大减少约 2m3/s；同样出力下，改造后水轮机所需耗水率最大减少约1.6m3/（kW·h）。可见机组改造效果显著，机组性能提高幅度较大，基本上达到了设计要求的指标。

结语

在我国，中小型水电站发展多年，对这些电站设备进行技术改造变得比较频繁。由于水利条件的改善加上发电设备、材料技术水平的普遍提升，水电站技术改造项目中顺便实施发电设备增容改造的机会逐步增多。因为在原设计水利、水工条件之上通常不可能还有太大的増容空间，因此通过局部设备技术改造实现最大限度増容不失是一种经济性、可行性较佳的途径。本工程的实测数据给技改的成功提供了佐证，也给读者提供了一些经验借鉴。

参考文献

[1] GB 8564-2003，水轮发电机组安装技术规范[S].

[2] GB/T 7894-2009，水轮发电机基本技术条件[S].

[3] GB 50071-2014，小型水力发电站设计规范[S].

[4] DL/T 751-2014，水轮发电机运行规程[S].