秦山核电30万千瓦级机组主发电机端部发热改进措施浅析

李 杨，沈卫玲，韩 亮，程义岩，陈富杰，冯勇胜，汪运律，郭桐岳

(中核核电运行管理有限公司,浙江 海盐 314300)

秦山核电1号机组发电机是上海汽轮发电机公司生产的310 MW双水内冷型发电机，即采用水—水—空的冷却方式，发电机的定子绕组和转子绕组采用水内冷，定子铁芯及端部结构件采用空气冷却，型号为QFS-310-2，其设计寿命为30年。该发电机在2007年进行了定子局部改造，改造主要解决了发电机端部压圈冷却水铜管漏水隐患，在改造的同时发电机有功功率从原来的310 MW扩容到330 MW。2007年主发电机改造后，在机组运行期间，维修人员通过对发电机周检以及现场巡检，发现发电机端部温度存在偏高现象，尤其是在励端端部发热现象比较明显(见图1)，最高温升可达100 ℃，显然不利于发电机的安全稳定运行，必须采取措施解决端部过热，以保证发电机组运行的可靠性。

图1 红外热像

1 发电机端部发热原因分析

1.1 原理分析

发电机在正常运行期间，定子绕组端部会产生一定的漏磁现象，这势必会造成定子端部空间漏磁的冗聚，定子端部区域寄生的漏磁通一方面会在端部各金属结构件中感应出涡流，引起结构件发热；另一方面会使端部导磁屏蔽和边段铁心出现磁饱和现象，如果控制不好，可能会对发电机的振动、损耗、温升等带来一系列影响，严重时会引起发电机绝缘老化、铁心松动和非正常停机的发生。当转子以3000 r/min旋转时,端部空间各处的磁场也随之旋转,定子端部各金属结构件因相对运动而切割磁力线,并产生感应电势,该感应电势的方向与磁感应强度的方向垂直,因此也有轴向、径向等多种方向。发电机大端盖上必然也产生轴向的感应电势,该方向的感应电势将形成从端盖到发电机本体机壳、底部机座再到端盖的一个电流环路，经过的漏磁电流必定会引起端部结构件发热，因此从原理上可以判断端部漏磁带来的发热是引起发电机端部过热的重要原因之一。

1.2 结构分析

1)本体结构：转子线圈汽端端部轴向长达523 mm,励端端部轴向长达523 mm,最长转子线圈轴向长达6446 mm,超出铁芯有效长度1186 mm,转子线圈两端端部(大小护环)完全处于定子铁心外部,转子本体产生的磁场沿壁隙和定子铁心构成主磁通回路,但转子端部漏磁通则通过端部空间至机座端盖形成回路，因此双水内冷发电机固有结构特点势必会造成端部漏磁场的形成，从而影响端部构件发热。

2)端部铜屏蔽结构：发电机定子端部的材质和结构尺寸也是影响结构件发热的重要因素，其中结构件中的铜屏蔽、磁屏蔽是保护压圈和端部铁心免受漏磁通引发的局部发热而采用的主要部件。铜屏蔽是由10 mm厚的铜板构成，结构上与压圈接触良好。在发电机运行时，定转子绕组在发电机端部产生交变的感应磁场，铜屏蔽在此磁场下会产生涡流来阻碍磁场的透入。电磁场在导体中的穿透深度是磁场频率、导体磁导率和电导率的函数。用解析公式(1)估算磁场的透入深度。

(1)

式中：δ——透入深度；

f——磁场频度；

μ——绝对磁导率；

σ——电导率。

铜的电导率为57.7×106s/m，根据公式估算透入深度约为9.375 mm。由于铜屏蔽厚度大于磁场的透入深度，所以在理论上铜屏蔽可以有效屏蔽外部磁场，在整个端部结构中起到十分重要的作用，而我厂采用的厚度为15 mm的铜板压制而成。

3)铜屏蔽损耗：发电机端部结构中，除压圈为一纯机械构件，铜屏蔽和磁屏蔽均为边端区域的磁通控制构件。通过有限元计算，建立发电机端部三维涡流场的数学模型，采用二维或者三维磁场相耦合的方法，加载定转子铁心端部压圈、压指、磁屏蔽、铜屏蔽等有效负荷，从而求得端部区域磁场、涡流和损耗。定子铁心端部温度随发电机的运行工况而变化，即定子铁心温度与发电机的有功功率、无功功率等密切相关，计算结果如表1所示(发电机进风温度按40 ℃计算)。

表1 330 MW发电机(定子端部压圈外无铜屏蔽)典型工况下损耗和温度

利用有限元的计算程序对QFS-330发电机定子端部(增加铜屏蔽后)的电磁场和温度进行了计算，主要结果如表2所示。

表2 330 MW时发电机(定子端部压圈增加铜屏蔽后)典型工况下损耗和温度

虽然从理论上计算得出铜屏蔽可以有效地减少端部漏磁所带来的发热影响，但是从2007年改造增加铜屏蔽后，现场实际情况反映并没有彻底解决发热问题，反而在近年出现了端部温度升高的情况。因此，加装铜屏蔽后效果不佳也是影响发电机端部发热的原因之一。

4)发电机通风结构：我厂双水内冷发电机的定子铁心和端部结构件及转子表面是依靠空气进行冷却，冷风由装在发电机轴上的风扇提供，与空冷器组成一个封闭的循环系统，采取两边进风，中部出风的方式。在2007年改造过程中发现，发电机内部风路的走向在端部位置还是存在“死角”，为此在发电机定子铁心的汽端和励端各装气隙挡风板，以加大端部铁心的冷却效果。所以发电机内部冷却风路的走向和冷却效果也是导致端部温度发热的原因之一。

1.3 运行工况分析

发电机的增容主要是通过增大发电机的线性尺寸和增加电磁负荷(即线负荷)两种途径实现，这样就会增加线棒的损耗，从而导致端部漏磁的增加，造成定子端部空间漏磁进一步的冗聚。秦山核电30万千瓦级机组在两次增容改造中，必然会带来定子电流增大、定子线负荷增加的情况。由于双水内冷发电机的线负荷较高(约1702 A/cm)，随着发电机单机容量增大时，一方面带来发电机定子电流的增加，另一方面发电机内较高的电磁负荷会使电机端部漏磁增大，汽轮发电机端部漏磁场作为一种无用寄生场，将直接导致端部区域结构件涡流损耗增加，是引起发电机端部结构件局部过热、产生破坏性电磁力的原因之一。

1.4 原因分析小结

综上所述，发电机端部发热主要原因：一是基于双水内冷发电机固有的结构特点；二是基于发电机端部存在不可避免的漏磁场作用和发电机通风、端部结构特点；三是由于发电机增容后漏磁场的增加，三者共同作用引起端部结构件的发热。

2 端部发热改进措施

针对以上原因分析，在“对以上原年发电机定子局部改造”以及“发电机定年OLE项目常规岛设备更新——发电机本体改造”中采取了相应改进措施来改善端部发热状况。理论上主要是通过减少端部漏磁以及减少涡流损耗两种方式，其中对发电机端部结构的优化是减小端部漏磁和涡流最直接有效的方法，一般采取在端部加装两道磁屏蔽环、加装铜屏蔽，以及压圈采用特殊非磁性材料、端部结构改善、优化通风效果等方法来实现。

2.1 发电机端部结构概述

铁心边段阶梯状：将定子铁心的端部叠成阶梯状，即定子边段铁心段设计有小阶梯，在齿中间开有窄槽，主要是为了增大气隙，以减少轴向漏磁通在端部铁心中产生的损耗。定子铁心为0.35 mm厚的高导磁、低损耗的DQ157-35方向性硅钢片材料。端部结构件材料采用特殊非磁性材料压圈和非磁性锻钢压指，以降低压圈、压指自身损耗。机座和端盖是由不同材料制作而成的，机座是钢板制成的，端盖是铸铝合金ZL2，在端部线圈和极间引线的漏磁场作用下，产生感应电动势。机座钢板为高导磁材料，而铝制端盖为低导磁材料，所以漏磁大部分是通过机座产生涡流损耗。为此，在机壁增加磁分路的结构，目的就是让端部的漏磁从这里通过，达到降低端盖温度的效果。

2.2 增容至330 MW时改进措施

1)加装铜屏蔽：将定子压圈内原冷却铜管拆除，在定子铁心端部压圈外加装铜屏蔽，以减少漏磁进入定子压圈。为防止铜屏蔽发热，在损耗密度较大的内圆焊接冷却铜管通水加强冷却。

2)加装外磁屏蔽：由于定子端部装了铜屏蔽，漏磁就集中到机座上。为此在原来齿压板旁边磁屏蔽保留基础上，在机座内加装导磁性的外磁屏蔽，可降低机座外圆和端盖等处的温度，以保证机座导磁及温度均匀。

3)加装挡风板：在发电机定子铁心的汽端和励端端部各装气隙挡风板，以加大端部铁心的冷却效果，气隙挡风板采用8 mm厚的耐高温材料做成。采用气隙挡风板后，能改变该风区进风的风速，使通风道内的动压头和静压头分布合理，可使最高处温升下降约15 K。

2.3 增容至350 MW时改进措施

1)压圈与机座间等电位：在压圈与机座间采用周向布置铜辫子实现两者之间的短接，将压圈与基座之间等电位，防止产生涡流发热。

2)端部结构改善：改造前，发电机定子绕组端部一直采用支架、端箍、压板式绑扎固定结构。改造后，定子绕组端部采取全新模块化设计固定结构，包括压板、径向螺杆、锥环和挡胶垫块等部分。通过采用定子绕组端部整体灌胶和绝缘盒灌胶设计，与改造前的端箍绑扎结构相比，极大提高了端部绕组防油、防尘、防异物和防电晕的能力。

3)风路优化：在励端机座外壁上再增加4个直径约70 mm的通风孔。通过计算，此时励端支路的风量约增加22%，一方面气体温升会降低，另一方面，流量增加会强化励端机座端部区域的换热，表面换热系数一般与流速的0.8次幂成正比，励端机座端部的温度约降低5 K左右，可基本实现励端机座端部温度不随此次增容而进一步上升。

3 端部发热处理效果

发电机经改造完成后，为了验证改造后端部发热效果，在发电机进行相关修后试验及机组并网调试过程中对发电机端部温度进行了观察和记录，分别在30%、50%、75%、100%功率平台下，观察汽侧、励侧两端端部温度无异常变化，均保持在正常范围内。在机组并网后的100%工况全功率运行中，通过有效统计，汽侧、励侧两端端部温升较改造前降低约50%，取得了较为明显的效果，与过往同期数据相比较，取得了较为明显的效果。

4 结束语

通过此次OLE项目的改造，秦一厂30万千瓦级机组主发电机机组状况和性能得到了进一步提升和改造，也彻底解决了端部发热问题。在改善方法上，不论是对发电机其制造工艺、通风设计、还是对定子绕组端部结构等都进行了优化改进，但发电机定子绕组端部的漏磁现象还是不可避免的，如果控制不好，还是会对发电机的振动、损耗、温升等带来一系列影响，造成发电机不能安全可靠地运行。因此，在以后机组正常运行期间，还是要对端部温度加以监测和记录，特别是要注意在发电机运行过程中是否还会出现温度持续偏高的现象，以保证整个机组的安全可靠运行。