海南琼中抽水蓄能电站转子磁极主引线结构工艺的优化改进

符天骥，张 丹，王建鑫

(海南蓄能发电有限公司，海南海口570100)

海南琼中抽水蓄能电站(以下简称“海蓄”)位于海南省琼中县境内，工程主要任务是承担海南电力系统的调峰、填谷、调频、调相、紧急事故备用和黑启动等任务。电站距海南省海口市、三亚市直线距离分别为106、110 km，距昌江核电直线距离98 km。电站安装3台单机容量200 MW的可逆式水泵水轮发电机组，总容量600 MW，为二等大(2)型工程。发电机型式为三相、立轴、半伞式、双向旋转、凸极式发电电动机。主要参数为：发电机工况下，额定容量222.2 MV·A，额定电压13 800 V，额定电流9 297 A，额定励磁电压231 V，额定励磁电流1 532 A，励磁方式可控硅自并励；电动机工况下，额定功率220 MW，额定电流9 581 A，额定励磁电压211V，额定励磁电流1 395 A。

1 发电机磁极引线的介绍

发电机磁极引线作为关键的过流部件，流过励磁的大电流。因此，该部件的通流和绝缘情况显得尤为重要。通流情况不好，导体容易发热，进而导致引线的烧毁。绝缘情况不好容易引起转子磁极的接地，影响机组的运行，甚至烧毁磁极。

磁极引线的导体截面选型时考虑了过流裕度，在一体成型的导体中一般不会产生异常发热，往往是现场安装的搭接面才是发热的关键部位。现如今，发电机转子磁极引线的连接一般采用螺栓压接的方式。

为了避免磁极引线过热烧毁，需要分析引起发热可能的因素，并针对不同的原因采取应对措施。常见的造成发热原因主要有如下几点：

(1)设计时不同形状导体连接处，搭接面积裕度不够。不同形状的导体搭接在一起时，将选取面积小的那一面作为计算电流密度的参考，尤其是转弯或拐角的搭接面容易出现搭接面积过小的情况。材料选型和形状配合在考虑安装紧固的同时，也要考虑过流面积的裕度问题。

(2)螺栓不匹配或安装紧固程度不够，连接块选型不对造成接头连接压力不足，引起发热。接头接触面不平整、氧化或有污渍，螺栓压接不使用导电平垫，导致接头实际接触面积过小，引起发热。

(3)施工工艺质量控制不严。接头接触面处理不当，如有毛刺、接触面不平整，导电体弯曲或扭转角度不对、固定螺丝着力不均匀、涂抹导电膏或电力复合脂时混入杂质。

(4)检修、维护、保养超周期或没有按照设备规程进行定检。机组检修时未专注接头搭接情况，运行时间较长时，在机械、电、热应力的作用下，接头产生变形、磨损、螺栓松动等造成接触不良。

2 海蓄磁极主引线原设计存在的风险

海蓄电站励磁电流从励磁盘柜产生，经过励磁电缆接入发电机集电环，通过上端轴内部的两条圆铜杆引至磁轭顶部。螺杆外围在出厂前已进行绝缘包裹，通过焊在大轴内部的金属垫块进行固定。磁极主引线穿轴结构可以等效为一个螺栓和螺母把合两块铜排，铜排与金属垫块之间用绝缘垫块隔绝，两个铜排分别与大轴内外侧的圆铜杆连接。大轴外侧的铜杆沿着上端轴的结构敷设固定，在磁轭与中心体的连接处通过弯曲成弓形的铜排连接，此处的连接为螺栓把合。最后通过固定在磁轭顶部的铜排与8对磁极引出的两个铜排连接。

海蓄电站发电机磁极主引线在设计之初主要有两个问题：①在磁轭顶部段的相间距离太近，容易产生相间短路；②穿大轴的螺杆两端与铜排连接处通流截面偏小，容易引起导体发热。

磁轭顶部磁极主引线相间距离设计间距只有12 mm，而且铜排未包裹任何绝缘材料。虽然磁极电压只有400 V，从绝缘距离上能够满足要求，但是机组运行时间长了，势必在铜排间积蓄灰尘，造成绝缘距离不够，可能导致磁极相间短路。

原设计磁极主引线穿大轴的结构为螺栓加螺母把合铜排的型式。该形式便于安装和拆卸，但是大轴内侧和外侧螺栓与铜排搭接面存在过流裕度不够的风险。因为螺帽与铜排搭接的过流面积为六角形减去圆孔，剩余的面积已经非常小，此处流过大电流时产生的热量可能会烧毁引线。

根据厂家的设计要求，海蓄电站额定电压13 800 V、额定励磁电流1 532 A，按照电流密度不能大于0.5 A/mm2的要求，则接头部件接触面积应大于1 532÷0.5=3 064 mm2。

按照下图所示海蓄穿轴螺栓铜六角螺母的估算尺寸，计算其接触面积为： ①对于M39铜螺母，设定e=66.44 mm(对角)，s=60 mm(对边)，m=34 mm(厚度)。②六方面积(33.22×30)÷2×6=2989.8 mm2。③M39螺孔面积约3.14×(39÷2)2≈1194 mm2。④六角螺母与铜排接触面积2 989.8-1 194=1 795.8 mm2<3 064 mm2。⑤螺母与螺杆的接触面积3.14×39×34≈4 163.64>3 064 mm2。

由此可见，设计的六角螺母与铜排接触电密最大达到1 532÷1 795.8≈0.85，显然不能满足一般的设计要求。

图1 原磁极引线穿大轴结构设计

3 优化和改造方案

经过专家和厂家的意见交流，结合电站的安装工期，确定优化方案为：用玻璃丝带浸渍EP139包裹裸露的磁极主引线，彻底隔绝短路的风险。这种方案在不改动铜排位置的情况下，做到相间的隔离。整改的措施不复杂，效果也比较显著。

图2 改造后磁极引线穿大轴结构设计

穿轴结构的改造方案主要是单螺母改为双螺母，接触面积增加一倍。六角螺母与铜排接触面积：1 795.8×2=3 591.6>3 064 mm2，1 532÷3 591.6≈0.43，满足厂家设计要求。具体方案如下：

(1)将大轴外侧的单螺母改为双螺母，由于空间的限制采用一个标准的M39铜螺母和一个薄M39铜螺母，从两侧与铜排进行搭接。

(2)将铜螺杆改为双头铜螺柱，长度由363增加为395，轴内侧增加两个铜螺母，从两侧与铜排进行搭接。

(3)螺母和螺杆采用镀银处理，提高通流效果。

(4)螺母与铜排的接触电密0.43 A/mm2。

(5)施工时先安装两个薄螺母，再安装两个标准螺母。安装螺母时涂抹少量导电膏(用于控制螺母的拧紧力矩)。

(6)机组过速后将螺母再次拧紧后，将两个标准螺母部位的螺牙破坏进行锁定。

在穿轴结构改造的过程中，由于引线的位置是分段通过焊接在大轴上的垫块固定的，而且磁轭与大轴衔接的转弯区域限制了引线的径向活动空间，所以铜排的位置已经限定不能移动，只能对原金属垫块进行加工，把垫块从大轴上解焊开，削去一定厚度的垫块，让出一个薄螺母的距离，相互配合才能安装。

支撑垫块是满焊在大轴上的，拆除垫块需要碳棒气爆开焊缝，转子已经组装完毕，解焊的防护工作就显得尤为重要。在拆除铜排后，除了解焊的部位，其他在焊渣可能掉落的地方都用加厚帆布进行覆盖保护，措施做完申请三级验收通过后开始工作，作业完毕恢复措施并仔细清理现场。

4 总 结

转子是发电机的关键设备，转子磁极引线流过励磁大电流，电流通过导体不顺畅时会积蓄热量，运行久了容易烧毁引线，因此磁极引线容不得丝毫的质量问题，因此在发电机的安装中要引起足够的重视。针对磁极引线的设计和制造安装，海蓄总结的经验如下：

(1)在设计阶段需要同时关注机械强度和过流密度，尤其是不同形状的导体搭接面需要特别关注过流密度。另外，需考虑导体的绝缘措施是否充足可靠，正负相间距离较近时，必须进行绝缘包扎，彻底消除导体或异物附着引起的短路现象。

(2)在安装过程中要关注导体搭接的紧固情况，以及绝缘支撑是否良好地隔绝导体和磁轭的电气联系，各项验收把关要准确到位。

(3)在日后的运维阶段，需长期关注紧固螺栓是否有松动的情况，锁定片是否锁紧螺母。过流导体是否有电弧灼烧的痕迹，尤其关注导体搭接、导体与支撑之间的部位。

海蓄电站在各方专家的细心指导下，对磁极引线进行了一定程度的改造，厂家积极拿出整改措施，在保证改造质量的同时也满足安装工期。运维人员在日常检修中，务必做好该部件的状态监测和隐患排查，及时消除可能影响机组正常运行的缺陷。