秦山核电厂330 MW双水内冷汽轮发电机增容技术浅析

沈卫玲，李 杨，陈富杰，韩 亮，程义岩，施兰芳，郭桐岳，冯勇胜，汪运律

(中核核电运行管理有限公司,浙江 海盐 314300)

秦山核电厂是中国大陆自主设计、建造、调试、运行管理的第一座压水堆核电厂，于1991年12月15日正式并网发电。机组最初设计寿命为30年，至2017年年底已安全、稳定运行26年。按照国外核电厂运行经验，通过技术改造可延长核电厂运行20年，为满足机组运行许可证延续及增容需求，对秦山核电厂原330 MW双水内冷发电机进行增容改造，提升发电机功率至350 MW。

1 改造方案

秦山核电厂330 MW双水内冷发电机(简称“发电机”)改造是在原有设备及结构基础上进行，改造原则遵循额定电压、发电机主尺寸、定转子槽数、定转子槽形、定子硅钢片及转子锻件不变，将容量、功率、电流、励磁等电磁参数作出相应的提高，以满足增容需求。改造方案情况如下：

(1)定子部分

线圈尺寸：增大线圈尺寸规格包括导电部分及通水部分，满足电流提升后的载流以及冷却需求。

绝缘尺寸：线槽体积不变的情况下，线圈尺寸扩大势必要适当减小绝缘层厚度，以此保证槽内布置空间，此外为满足发电机电气参数提高后的绝缘需求，需加强线圈绝缘性能，改善电场分布，提高起晕电压。

测温功能：减少发电机测温盲区，做到“1∶1”测温，实现实时监控，同时增强测温的精确性。

(2)转子部分

线圈尺寸：发电机改造后，由于额定电流提升6.07%，励磁电流提升4.40%，要增大线圈尺寸规格包括导电部分及通水部分，目的是满足电流提升后的载流以及冷却需求。

(3)改造实施后考核要求

端部温升：改造前基座励端温度一直处于较高水平，夏季最高最高可达100 ℃，温升约60 K，不利于机组安全稳定运行。端部温升贡献来源于通风冷却及边端漏磁通，因此需通过改善冷却能力及优化端部结构，保证端部温升不随功率提升而进一步提高。

端部阻尼：改造后发电机运行参数有所提高，相应伴随着更大的冲击响应幅度包括电网冲击及机组振动，发电机端部地区相较于中部地区在结构上具有较强的离散性，因此改造后端部阻尼需满足机组运行要求。

发电机效率：降低定子线圈铜耗、转子线圈铜耗、励磁机损耗及附加损耗以此提高发电机效率。

2 定子改造技术要点

(1)定子线圈

1)改造前定子线圈线圈为24股2.44 mm×10.5 mm实心铜线，导电截面积25.62 mm2，6股4.9 mm×10.4 mm×1.5 mm空心铜线，导电截面积36.9 mm2，组合方式采用4∶1的间隔排列方式，即每根线圈有2排铜线，每排铜线包含12根实心扁铜线和3根空心扁铜线，保证散热均匀，线圈连接方式采用双星形结构，共108根呈叠绕式放置在54槽内，计算平均电流密度J=7.42 A/mm2。改造后铜线组合方式及线圈连接方式并未发生改变，尺寸更改为24股2.35 mm×11.55 mm实心铜线，导电截面积27.14 mm2，6股4.9 mm×11.52 mm×1.5 mm空心铜线，导电截面积40.26 mm2，计算平均电流密J=7.16 A/mm2，电流降低约3.5%左右。可见改造前后，定子线圈导电截面积增加保证载荷量，通孔截面积增加保证冷却，平均电流密度下降保证降低定子铜耗，同时增强线圈载荷冗余能力。

2)罗贝尔540°铜线平面换位：线圈全长皆采用罗贝尔540°铜线平面换位的方式，使得铜线间互相交链的磁通平衡，消除互感，从而尽可能消除由于电位差产生的线圈内部环流，降低定子铜耗，并且抑制由于端部漏磁引起的端部铜线环流，提高发电机运行效率。由于采用罗贝尔540°换位，各铜线换位角度大，因此相互之间的换位处受到挤压及摩擦应力较大，因此对每个换位处垫入0.5 mm厚绝缘纸板，补强换位处绝缘强度，防止换位处发生短路现象。

3)定子线圈二次胶化：第一次线圈胶化是在线圈包主绝缘前，对线圈直线及端部填充换位腻子并进行胶化，通过采用工频大电流加热，使得原来分散的铜线粘结成一个整体，其一保证线圈的尺寸具备成形条件，其二考虑消除换位间隙防止发生电离，其三提高线圈刚度。第二次线圈胶化是在线圈主绝缘及防晕包扎后，采用少胶SVPI绝缘体系技术，与改造前的多胶模压绝缘体系相比，少胶SVPI绝缘体系主绝缘的致密性更高，故介损增量优于多胶模压绝缘体系；少胶SVPI绝缘体系主绝缘中的云母含量更高，故其电老化性能优于多胶模压绝缘体系，因此通过二次胶化后的定子线圈使用寿命更长，绝缘损耗更低。

4)定子线圈主绝缘：原发电机采用9.7 mm(对地绝缘层)+0.3 mm(防晕层)，形成共10 mm厚的绝缘层。改造后发电机采用7.9 mm(对地绝缘层)+0.3 mm(防晕层)+0.71 mm(内屏蔽层高)/0.6 mm(内屏蔽层宽)，形成共8.91 mm厚的绝缘层，在定子铁芯槽体积不变的情况下，通过减薄定子绝缘厚度，增大定子线圈截面积，带来定子铜耗的降低。同时多设了线圈内屏蔽层，目的是屏蔽线圈内部的放电，降低介损及介损增量，改善电场分布、优化角部场强，提升发电机的运行可靠性。

(2)定子线圈槽内布置

改造后定子槽内主要包括定子槽楔、楔下紧固、层间垫条、槽底半导体垫条和侧面半导体垫条等材料，相较改造前，定子槽楔采用高强度模压槽楔，满足定子线圈及铁芯齿根承受应力要求，并且取消槽底适形材料，目的是在强电场作用下使得半导体材料优先于空气介质导通，防止空气介质发生电离损坏线圈防晕层，因此通过半导体垫条与线圈表面直接接触，可以使定子线圈绝缘表面更加良好的接地，防止产生电晕或者局部放电现象，达到降低定子附加损耗的目的。

(3)定子线圈端部固定

1)背部支撑：线圈端部既渐伸线部分的固定基础从环箍更改为一体式锥环，可防止异物从背部掉入线圈间隙。并且从离散的固定变成了整体固定方式，端部整体力学性能加强，并且对于端部振动，整体式相比离散式具有更好的振动阻尼，加强抗电网冲击能力。

2)径向固定：线圈端部的径向固定方式从分块压板绑扎更改为弧形压板整体灌胶的方式，即环氧灌注胶将定子线圈端部的间隙全部填满，上、下层绕组间以及上层绕组上均覆盖有整圈的弧形压板，配合适形材料、绝缘垫块和绝缘螺杆等结构件将伸出铁心槽口的绕组端部固定在绝缘大锥环内，成为一个牢固的整体。加强端部强度及振动阻尼，减弱端部渐伸线间的起晕，具有优良的防护等级。

3)定子线圈端部连接：改造前各定子线圈端部电的连接方式为焊接，水的连接方式为三通接头，改造后更改为球形接头及连接铜牌的方式，该方式实现了水电一体化连接，实现了上下水路层分离，方便有效地监测各线圈水路情况，并且大大减少端部连接的复杂程度，且在不存在焊点的情况，可避免在电通路中产生多余的接触电阻，可减少定子线圈铜耗。

4)定子线圈端部绝缘：端部绝缘从手包绝缘更改为绝缘盒灌胶，有效防止线圈端部放生放电，并且加强绝缘引水管紧固。

5)绝缘引水管：从以前的白软管更改为聚四氟乙烯黑色成型管，表面光滑不易产生结垢堵塞异物吸附，且力学性能大大加强，满足定子冷却水大流量大压力的流通需求。

(4)定子测温功能优化

1)改造后，通过上下层定子线圈水路分离实现了线圈水路“1∶1”的流通模式，在每个出水接头处设置二线制单支PT100热电阻，共108个测温元件，配合线圈层间测温元件，可实现全面监视定子线圈运行状况的功能。

2)铜屏蔽测温元件由原来的铜-康铜T分度热电偶升级为测量精度更高的二线制单支PT100热电阻。

3)测温元件出现板由原来的螺栓式改成了针插式，同样空间尺寸下，可布置的接线柱数量增加约66%，满足改造后新增测点的连接需求。连接方式则采用接触性能优越的MC套管连接，保证定子测温元件的稳定性及准确性。

(5)定子端部通风优化

1)增加通风孔：在励端机座外壁上新增4个直径约70 mm的通风孔(共20个φ70通风孔)，新增后励端支路的风量增加约22%，气体温升会降低的同时强化励端机座端部区域的换热，理论上表面换热系数与流速的0.8次方成正比，可保证励侧端部温升不随功率提升而进一步提高。

2)挡风板高度调整：发电机冷却风从端部进风口由风扇打入，进入气隙，吹拂转子表面，从铁心的径向通风道流向铁心背部，冷却定子铁心，同时端部结构件进行表面冷却，而端部铁心所处位置离转子风扇最近，且位置为定子膛进风的最前端，即轴向风路两端，该位置的风压、风速都是最大的，这样端部冷却风在经过端部铁心时大都呈轴向流动，有很少的风进入径向通风道内部对端部铁心进行冷却，所以在汽励端各装气隙挡风板以加大端部铁芯的冷却效果，改造后挡风板高度增加20 mm,进一步增加端部铁芯径向进风量，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。

3 转子改造技术要点

(1)转子线圈

改造前发电机转子线圈铜线规格为16 mm×16 mm/圆孔7 mm，每槽12根共32槽，导电截面积为217.52 mm2，通孔截面积为38.48 mm2，计算平均电流密度J=8.46 A/mm2，改造后转子线圈数量并未发生改变， 规格改为16.5 mm×16.5 mm/方孔6.5 mm，导电截面积为230 mm2，通孔截面积42.25 mm2，计算平均电流密度J=8.35 A/mm2，平均电流密度下降约1.3%，可见在导电截面积及通孔尺寸增加后，具备低电流密度、高水流量的优点，在转子槽形不变的情况下，改造后绝缘厚度从1.5 mm降低至1.2 mm，为增大转子铜截面和通孔提供必要条件，达到降低转子绕组的铜耗、改善转子绕组冷却的目的，满足发电机增容和提高效率的要求。

(2)集电环结构

由于励磁系统改为静态自并励，将原有的主副励磁机更替为集电环结构，包括旋转部件(滑环、离心风扇、磁极引线)和静止部件(刷架、外罩、底架、碳刷)，风路动能是由离心风扇旋转提供，冷风从底架进风处进入，冷却碳刷滑环等电工部分，再从底架出风处排出并带走热量，构成下进下出的冷风形式，而刷架、碳刷、滑环、磁极引线构成转子电枢的励磁回路。其中磁极引线采用室温固化阻燃型溴化环氧胶黏剂能够避免绝缘烧毁的可能，极大提高了励磁可靠性。碳刷仍采用原恒压钳夹型单体式刷握固定，规格为25 mm×32 mm×64 mm，两极滑环布置圆周10个、轴向8列，共80个碳刷，平均每个碳刷载流为47 A，电流密度为5.9 A/mm2，满足励磁参数提升条件。

(3)转子动力特性分析

当转子处于临界转速时，旋转振动频率会和转子固有振动频率相同或呈整数倍，会引发共振现象，转子振幅变大，根据标准规定，临界转速应避开额定转速的±10%即2700～3300 r/min，对转子动力特性进行分析(三阶临界转速理想状态下可达6000 r/min且振幅较小，不作分析)，一阶临界转速757 r/min，二阶临界转速2145 r/min，临界转速符合标准要求，满足功率提升要求。

(4)转子应力特性分析

改造后转子线圈整体质量从5.02 T增加至5.33 T，运行时相应承受的应力强度也会变大，主要包括径向垂直方向离心力、径向圆周方向挤压力，径向垂直方向离心力主要由转子槽楔(中间铝合金槽楔，两端铜合金槽楔)承受，可知径向圆周方向挤压挤压力主要由小齿承受，根据公式P=FS=mω2rS可知半径最大处所承受应力强度最大，因此分析槽楔和小齿根处的最大应力强度能够判断转子本体强度是否满足功率提升要求，通过有限元计算方法对最大应力强度进行计算小于最大屈服强度，结果如下，可知强度满足功率提升要求。

4 改造后效果

(1)发电机运行效率提高

发电机损耗主要存在定子铜耗PCU1、定子铁耗PFE、附件损耗Pad、转子铜耗PCU2、励磁设备损耗PEXC、风损耗Pwin、轴瓦损耗Pm、甩水损耗Pw。在350 MW工况下，改造后损耗相比改造前低了约251 kW，效率提高约0.071%，影响损耗的主要原因如下：

1)定子线圈铜截面积增加，平均电流密度下降约3.5%，定子铜耗降低约107 kW，效率提高约0.031%；

2)将三机励磁更替为静态自并励方式，移除了主、副励磁机，所以碳刷使用量减少、转子磨损降低、励磁设备损耗降低，励磁部分损耗降低约49 kW，效率提高约0.014%；

3)转子线圈铜截面积增加，平均电流密度下降1.3%，转子线圈铜耗降低约67 kW，效率提高约0.019%；

4)转子线圈通空截面积增加约9.7%，转子水流量增大，转子甩水损耗增加约6 kW，效率降低约0.002%；

5)线圈制造工艺优化、槽内布置优化及端部结构优化，比如线圈采用内屏蔽、槽内布置侧面放置半导体材料、SVPI及模压成型、端部整体灌胶，降低附加损耗约34 kW，效率提高约0.009%。

(2)机座端部温升降低

针对历年机座励侧端部温升过高的问题，改造中对定子通风结构进行了优化，改造前在夏季发电机励端最高温度最高可达100 ℃，温升可达约60 K，改造后通过巡检统计发现在夏季最高温时，机座励侧端部温升最高可达约30 K，相较改造前温升降低约50%，温升降低主要原因如下：

1)定子端部通风优化：励端机座新增的通风孔带来22%通风量的提高；

2)气隙挡风板增加：挡风板高度的调整使得边端铁芯冷却效果加强；

3)端部结构优化：端部结构件采用高磁阻性材料，并采用整体灌胶的技术，减少端部漏磁通产生。

(3)发电机温升满足标准要求

发电机功率提升改造后，对发电机整体进行额定工况下的温升试验，温升主要测点主要有54支定子线圈层间PT100、108支定子线圈出水PT100、44支定子铁芯PT100、16支铜屏蔽PT100及4支外磁屏蔽PT100，温升试验结果皆符合运行标准要求，其中定子线圈温升裕度44%、定子线圈出水温升裕度41%、转子整体温升裕度53%，具有较大的空间，证明定转子线圈导电截面及流量通孔设计合理，满足功率提升要求。

5 结束语

在秦山核电厂330 MW双水内冷发电机增容改造的基础上，消除了机座端部过热的安全隐患、提高发电机运行效率0.071%，且改造后，定转子运行温度余量较大，发电机整体运行性能稳定，客观证明了发电机改造的成功性，也对类似机组的扩容改造工程起到借鉴作用。