定子铁心冲片绝缘涂层更新技术在水轮发电机技术改造中的应用

纪远英

（德阳远东机电有限责任公司，四川 德阳 618000）

0 前言

制定发电机技术改造方案时，除了要消除发电机长期运行后出现的绝缘老化等技术性能下降和安全隐患以外，还应该结合机组实际情况，与时俱进地保持发电机技术性能的持续优化，如应用现今发电机设计制造的先进技术成果，对发电机进行具有再制造性质的技术改造就是实现路径之一，从而使发电机技术改造遵循技术上先进、工艺上合理、环保上进步、经济上合算等原则，以求取得事半功倍的成效。

1 发电机相关参数

型式 立轴悬式三相同步发电机

型号 SF76-16/5100

额定容量 89.4 MVA

额定功率 76 MW

额定电压 13.8 kV

额定电流 3 740.7 A

功率因数 0.85(滞后)

频率 50 Hz

额定转速 375 r/min

飞逸转速 647 r/min

相数 三相

绝缘等级 F

定子铁心外径5 100 mm，定子铁心内径4 220 mm，定子铁心高度1 840 mm。

2 对发电机定子铁心实施改造的起因及问题性质分析

PQ 水电站2F 发电机已运行13 年，在发电机相关监测数据（温度、振摆、电流、电压等）未超标条件下，运行期间出现过异味、烟雾，消防感烟探头报警等非正常情况。

停机检查后，发现定子铁心内圆合缝附近表面有胶状黑色附着物，将发电机转子吊出、拆除空冷器后发现定子合缝处铁心有错位、变形、松动现象，合缝处适形绝缘垫已碳化。

此后对铁心合缝面进行临时处理：定子穿心螺杆紧固并防松动锁固，对粘连严重的硅钢片进行削刮打磨，对于损伤轻微的硅钢片进行翻片重新涂刷绝缘胶，合缝面根据间隙垫入耐热性和绝缘性能更好的F 级绝缘纸，合缝处铁心线棒槽内增加测温电阻，合缝处线棒试验检查重新涂刷绝缘层，做相关试验合格后机组恢复发电运行。

经临时处理后的2F 发电机在运行监测中发现，上机架垂直振动存在异常16 倍频振动分量、发电机有异常电磁声，是否存在较大的运行风险存疑，故进一步分析认为原因如下：

受运输条件所限，PQ 电站2F 发电机定子铁心为分瓣结构，两瓣定子机座和铁心在工厂叠装后，运到水电站厂房内再组合成整圆定子铁心。因受定子铁心分瓣结构制约，造成定子铁心每个分瓣合缝处缺少一根穿心拉紧螺杆，由此造成处于铁心合缝面处的铁心冲片压紧力不足、整体性较差，运行中该部位铁心冲片易于出现翘曲和松动。为防止铁心冲片绝缘在分瓣铁心合缝处磨损造成铁心冲片间短路，在组合分瓣铁心时，铁心分瓣处放入1 mm 厚的绝缘垫板。

不分瓣（半）定子的铁心磁路是均匀变化的，分瓣（半）定子在铁心断开处铁心是不连续的，根据磁路定理：闭合磁路的磁动势等于各段磁路上磁位降落之和。而空气和绝缘垫的磁阻是定子铁心磁阻的5 000 倍左右，铁心分瓣处磁阻的巨大差异会导致该处的磁动势突变，这种磁动势的突变会使发电机感应电动势相应突变，因而发电机输出电压波形中除了正弦波以外还有高次谐波。发电机运行中，高次谐波易于导致定子铁心和定子支撑机架发生径向和轴向振动，甚至导致发电机产生电磁噪声。

定子铁心的热传导系数是绝缘垫片的250 倍左右，铁心中涡流产生的热量在铁心分瓣（半）处遇到绝缘垫片传热速度下降，导致分瓣处断开的铁心部位温度高于连续铁心部位的温度，有温度差就会有热应力，而有热应力就会造成分瓣（半）面处的铁心冲片变形翘曲和松动，变形松动的冲片会在电机磁场作用下发生振动，当铁心冲片顶穿绝缘垫片后，就会发生冲片相互摩擦和碰撞，继而造成铁心冲片绝缘漆膜破损、分瓣（半）处冲片上下层相互连通后，在铁心中涡流产生电流就会通过该联通的表面而发热，进而烧坏铁心。当分瓣（半）面铁心振动、发热和变形严重时，就可能造成处于分瓣（半）线圈槽内的线圈主绝缘损坏而发生线圈对地短路的事故。

3 制定发电机定子铁心技术改造方案的原则和思路

21 世纪以来的20 多年，是我国水电站建设的高峰时期，同时也是中国水利发电设备设计制造技术进步最快、取得成就最大的时期。鉴于大型水轮发电机机组运行寿命可达40～50 年以上，当水电站发电机组进行技术改造时，这些发电机组通常已经运行十年以上。对水轮发电机组设计制造技术而言，当制定发电机定子铁心技术改造方案时，把在这十年甚至更长的时间里发展成熟、经过运行实践验证、又切实可行的先进技术应用到发电机技术改造方案中，就有可能收到与时俱进、事半功倍的成效。

比如，由于计算机流体仿真设计技术的进步，水轮机转轮技术改造后，因水轮机效率提高出力增加，若此时发电机定子铁心通过改造能够增加出力，机组就可以多发电；再如，更耐热、更环保冲片绝缘涂层和绝缘和性能更好的新型绝缘材料已经进入实用阶段，发电机铁心运行温度可以适度提高；散热效果更好、温差更小的发电机铁心径向通风系统设计已经在不少重要的大型发电机实际运行效果中得到了验证[1]……。

3.1 将分瓣叠装的定子铁心改为整体叠装铁心

国内外不少水轮发电机组的运行实践表明，由于定子铁心分瓣面多处于线圈槽中心线上，在铁心分瓣处线圈槽底发生线圈主绝缘击穿而接地故障的概率，远高于其它槽内的线圈。

在工地将铁心冲片叠装为整体铁心，从而显著增强了定子铁心的整体性和刚性。没有铁心分瓣面的整圆铁心磁路没有突变，从而改善了发电机的输出电压波形，既解决了高次谐波造成电磁振动问题，又解决了因铁心分瓣间隙造成的连接不紧密所引发的铁心温差变形和振动问题，从而从根本上消除了因铁心分瓣而产生发电机运行故障的隐患[2]。

3.2 更新铁心冲片的绝缘涂层

3.2.1 消除绝缘涂层损坏的途径

水轮发电机长期运行后，不同部位的铁心之间会有温度差，有温度差就会有热应力，有热应力就会导致铁心变形，不同部位的铁心受到约束不同，所发生的变形也会不同，就会发生翘曲变形之类的问题。通过减小铁心分段高度、加大铁心预紧力和增加铁心冲片涂层中固体成分的导热性，可以减小铁心的温差和变形。

在铁损、铜损发热和热变形的综合作用下，涂敷在定子铁心冲片表面的绝缘涂层在发电机运行一段时间后，会不同层度地出现绝缘性能下降、涂层磨损和脱落、甚至涂层烧损，铁心涡流增大和局部温升过高烧损铁心甚至线圈绝缘击穿短路等故障；电磁和机械振动，也会造成铁心冲片绝缘涂层磨损。诸如此类的问题，均会显著降低发电机运行稳定性和可靠性。所以提高冲片绝缘涂层的耐热等级和抗压能力、减小发电机铁心运行温度差，就是可以有效地防止冲片绝缘涂层损坏的有效措施。

3.2.2 有机绝缘涂层和水溶性绝缘涂层的技术特点

1983 年以前，国内设计制造的多数水轮发电机定子铁心冲片的绝缘涂层均为非水溶性有机漆绝缘涂层和非水溶性半有机绝缘涂层，为改善涂覆工艺性而添加的有机溶剂含量占比约60%～70%（二甲苯、醇、酯类物质的混合物），其起绝缘作用的基体树脂只占25%～31%（其成分为醇酸树脂、环氧聚酯酚醛树脂以及作为填料的SiO2粉末）。

发电机服役期间，在铁心冲片有机绝缘涂层中的有机溶剂中含有的低分子量成分会挥发（如二甲苯，其沸点为137℃～140℃），最后留下在硅钢片表面的漆基固体成分不过10%～20%。当发电机运行一段时期后，铁心冲片表面的绝缘漆膜会有收缩、蠕变甚至剥离现象，从而导致发电机铁心不同程度地发生冲片松动、片间绝缘水平降低和冲片翘曲等问题。

PQ 水电站2F 发电机定子铁心原绝缘涂层为133C 冲片半无机绝缘漆（漆基是改良性环氧酚醛树脂），绝缘等级为F 级。F 级绝缘的最高允许温度为155℃，冲片使用条件下的参考温度按130℃估算。

铁心发热[3]是影响冲片绝缘涂层寿命的主要因素，在不同的使用条件下，绝缘的耐热寿命通常有很大的差别。有关试验证明，在额定温度下，绝缘的持续使用寿命约为7～8 年，对于B、F、H 级绝缘，工作温度每上升10℃、12℃、14℃，其绝缘的寿命将缩短一半。

根据国外试验结果[4]，作为硅钢片绝缘漆漆基的醇酸酚醛树脂绝缘材料寿命与工作温度之间的关系如表1。

表1 绝缘寿命与使用温度的关系

按发电机每年运行4 500 h 计算，PQ 发电机已经运行54 000 h，对于耐热等级为F 级的半有机绝缘涂层，当发电机已经运行12～13 年后进行铁心技术改造时，对定子铁心冲片绝缘涂层进行更新是必要的。

由于水电机组通常在相对封闭的厂房中运行，甚至被安装在完全封闭的地下发电厂房中。在发电机长期运行期间，有机绝缘涂层中的有机溶剂中含有的低分子量的碳氢化合物气体成分会逐渐地挥发到发电机厂房内的空气中，虽然其相对挥发量远小于绝缘漆涂敷工序，但封闭的发电机机坑和厂房内通常没有循环空气过滤设施，这些有机溶剂挥发气体长期积聚，会对发电机运行人员的健康和舒适度有一定的负面影响。

半无机硅钢片绝缘漆的耐热等级有F 级（如133C）、水溶性硅钢片绝缘漆耐热等级有H 级（如E1151A、EB5001G）。从B 级、F 级和H 级绝缘的最高耐热温度（分别为130℃、155℃和180℃）可知，在水轮发电机通常运行条件下，H 级的水溶性硅钢片绝缘漆涂层的使用寿命远高于F 级有机绝缘漆涂层。

水溶性硅钢片绝缘漆含有65%～75%的无机粉体填料（如细度为0.5～4 μm 的TiO2、SiO2等粉体），无机粉体填料具有相当高的电气绝缘、机械强度及耐高温性能，使绝缘涂层的抗压强度和硬度提高。运行后，涂层中填料粉体不会挥发，在铁心压紧力下，其厚度变化远小于有机漆涂层，故允许提高铁心的压紧力，预紧力提高后铁心不易发生松动。即便发电机运行过程中因局部磁负荷偏高，局部铁心温升过高，铁心冲片绝缘膜发生过热而烧蚀碳化时，其无机粉体填料在冲片层间形成的较致密绝缘隔离层起阻断涡流穿过涂层的作用，能有效地防止铁心过热区体积和面积扩大。

除了提高硅钢片绝缘漆的耐热等级（水溶性硅钢片绝缘漆的耐热等级为H 级，其极限工作温度比耐热等级为F 级有机硅钢片绝缘漆要高25℃）以外，绝缘涂层中固体成分的导热系数大于漆膜，让铁损发热量易于传导到通风槽板的散热表面，从而降低各段铁心内部的涡流发热的梯度，从而减小铁心的内应力和变形。

用绝缘性能和环保性能更优良水溶性硅钢片涂层替换原铁心冲片的有机绝缘涂层，能显著提升冲片绝缘性能，而水溶性硅钢片绝缘涂层的主要溶剂是对人和环境无害的水，由此就彻底地消除了发电机运行过程中绝缘涂层材料可能挥发到厂房空气中的有害气体，为水电站运行人员创造洁净舒适的工作环境。

近十几年来，采用绝缘和环保特性更好的水溶性硅钢片绝缘漆来作为定子铁心冲片涂层材料，已经成为世界电力行业和发电机制造行业的共识，不少发达国家已经明令禁止将有机绝缘漆用于电力设备铁心冲片绝缘涂层上。

目前运行中的水轮发电机，有不少定子铁心冲片绝缘涂层还是用有机、半有机绝缘漆涂覆的（1983年以前制造的国产水轮发电机定子铁心绝缘涂层，均为有机、半有机绝缘涂层；1983 年以后国内制造的水轮发电机定子铁心冲片还有一部分仍为有机、半有机绝缘涂层，尤其是2010 年前投运的国产中小容量水轮发电机定子铁心冲片采用有机、半有机绝缘涂层的占比还比较大）。由于长期运行导致的发电机铁心冲片绝缘性能劣化和当下全社会实施更严格环境保护规定，在实施发电机定子铁心技术改造时，采用绝缘性能更为优良（如耐热等级为H 级，允许最高使用温度为180℃）和环保性能更为友好的水溶性硅钢片绝缘漆作为定子铁心硅钢片绝缘涂层已经成为理所当然的选择[5]。

利用对定子铁心实施技术改造需要拆下和重新叠装铁心冲片的机会，更换铁心分瓣面处已经发生烧损的铁心冲片，采用耐热等级为H 级的水溶性硅钢片绝缘漆对其它部位的铁心冲片绝缘涂层进行更新。对已经发生翘曲变形部分冲片进行整形、恢复其平面度，并适度加大铁心压紧力，以增强铁心整体性，可以显著提高发电机的运行稳定性和可靠性。

PQ 水电站2F 发电机定子铁心冲片系采用50W290 冷轧硅钢片制作的，经多年运行老化的只是硅钢片绝缘涂层，而硅钢片本身电磁性能仍能够满足发电机长期运行要求。因此定子铁心冲片绝缘涂层更新后，这些定子铁心冲片仍然可以继续使用。成本测算表明，只进行绝缘涂层更新的铁心冲片单位重量再制造成本，约为采购同牌号硅钢片材料重新制作铁心冲片单位重量成本的1/3。而采用定子铁心冲片绝缘涂层更新改造方案，只需要更换少量局部有破损的冲片，可以采用激光切割制作补片，不需要重新制作模具，所需要的改造工期比较短。

若选择全部更换发电机定子铁心冲片改造方案，就需要重新订货购买新的硅钢片材料，并专门制作冲压模具，制作改造成本相对较高，需要的直线工期也比较长（仅作模具和完成冲压工序就需要60～80 d），这对于枯水期来临时停机检查才发现发电机铁心需要改造的水电站运行单位而言，要在4个月枯水期内完成整台机组技术改造任务，往往是勉为其难的[6]。

3.3 优化定子铁心径向通风系统

3.3.1 降低径向通风通道的高度

发电机铁心通风散热的主要方式是对流散热，利用转子磁轭间隙和磁极旋转产生的风扇作用，将冷却介质吹拂到定子铁心中的过气流表面，从而将铁心的热量带走。根据《大型电机的发热与冷却》一书中的发电机径向通风系统定子铁心散热量计算公式[3]：

Q为发电机定子铁心的通风散热量（单位是W）；

S为散热的面积（单位是cm2）；

ɑ为发热表面在空气中的散热系数，主要和吹拂表面的空气速度有关，对于发电机定子铁心表面，ɑ取0.001 5；

θ物理意义为温差1℃时单位面积、单位时间所能够散发的热量（单位是W/cm2）。

从式（1）中不难看出，在发电机风速条件大体确定的条件下，单位时间内，冷却空气从定子铁心散热表面带走的热量与冷却空气通过路径的散热面积S成正比。

对公式（1）分析可以看出，发电机定子铁心径向通风通道的通风流量，取决于通过铁心的进风口总截面积和风速，要降低电机绕组和铁心的温升，主要靠两个途径：①加大电机冷却流道中空气的流速，让大量的冷空气迅速地流过铁心及绕组的表面（在发电机改造中，如果发电机转速不变，转子磁轭的过风间隙不变，流过定子铁心和绕组的风量就不会有大的差异）；②尽可能加大定子铁心过风表面散热面的面积。即降低铁心分段高度，可以在不增加铁心高度的前提下增加通风槽板数量，从而实现加大定子铁心过风表面散热面的面积、提高冷却效果的目的。

铁心径向冷却通道的高度取决于通风槽钢的高度。PQ 水电站发电机沿用的定子铁心径向通风系统设计，是国内发电设备专业厂家在当时技术条件下的常规的设计。比如当时发电机行业制造单位使用的是哈尔滨大电机研究所编制的1990 版的《水轮发电机设计手册》中推荐的1 号通风槽钢（高8 mm 宽4 mm），设计者选择的发电机定子铁心分段高度为39～40 mm。

在2000 年以前，国内外发电机设计制造行业就已经注意到，决定发电机定子铁心和绕组的运行可靠性的不仅仅是温度的高低，还有铁心和线圈的轴向温差大小，因为有温差就会有热应力，有热应力就会导致热变形，而铁心和线圈的不均匀热变形易于损坏冲片和线圈的绝缘。因此，在《水轮发电机设计手册》中有“为了使定子铁心温度沿轴向均匀分布，大容量水轮发电机的定子铁心有采用薄铁心段、短通风沟（6 mm）的趋势”这样的提示[1]。

过去20 多年来，中外发电设备制造业针对巨型发电机所作的模拟真机定子铁心和线圈试验知道，发电机径向冷却通道中，带走铁心热量的、主要是流过铁心和通风槽板侧厚度为2 mm 的气流，在发电机这种冷却风速下增加径向通风通道的高度对定子铁心的冷却效果并不明显，所以定子铁心径向通风冷却通道的最合理高度是4～5 mm。而为了减小定子铁心内部的温差，推荐的定子铁心分段的最优高度由原来的50～70 mm，改为30～40 mm[2]。

有鉴于此，近20 多年来投产的国内外大型水电机组的通风槽钢多选择高5 mm 宽4 mm 和高6 mm 宽4 mm 两种；定子铁心分段厚度一般为35～40 mm。这样改进后，同样高度截面上的定子铁心中可以布置更多通风通道，有更大的被通风气流冷却的铁心表面积，在对冷却效果更好的同时，高度截面上的铁心的温度差减小，定子铁心和线圈绕组的变形更小，铁心更不易翘曲，在通风槽钢宽度不变的条件下，降低通风槽钢的高度，还提高了通风槽钢在铁心压紧力增大条件下的稳定性；在定子铁心磁路上增加了3 段（总高度约120 mm）与原铁心相同的高导磁率材料铁心，可以显著地降低发电机铁心的磁负荷密度，提高发电机的过载能力、降低铁心的温升。

综上所述，降低铁心径向通风系统冷却通道的高度，对于减小定子铁心温度差（同时也减小在铁心槽内的定子线圈温度差）是行之有据，并经得起实践验证的当代发电机性能优化方面的技术进步。

3.3.2 选用奥氏体材料制作通风槽钢

对于大中型水轮发电机定子铁心，铁心磁负荷比较高，因而在通风槽钢中存在相当大的漏磁通，在铁心齿部的通风槽钢对磁通形成相当大的分支路，如果用导磁的碳钢制作通风槽钢，则会在交变的定子磁场中因磁滞消耗能量而发热；如果利用奥氏体不锈钢材料不导磁的特性（如1Cr18Ni9Ti 不锈钢或高锰钢40Mn18Cr4V）制造通风槽钢，消除在通风槽钢中因磁滞而导致的发热损耗，对减小发电机损耗有利[6]。

由于PQ 水电站发电机定子铁心中通风槽板的通风槽钢是碳钢材料制造的，在漏通密度较高的齿部前端通风槽板上出现了与通风槽钢发热相关的明显变形，采用不导磁的1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢作为通风槽钢材料可以降低通风槽钢在磁场中的发热量，从而减小通风槽板在热应力下的变形。

3.3.3 选用更高强度材料制作铁心拉紧螺杆

必要的预紧力是压紧定子铁心的前题。对于采用水溶性绝缘涂层的铁心冲片，由于涂层中添加的固体成分含量大幅度增加，涂层抗压能力增强，允许相应提高铁心的压紧力。PQ 水电站发电机定子铁心拉紧螺杆直径为42 mm，原材质为15CrMo 冷拉圆钢，在冷拉状态作为定子铁心拉紧螺杆使用强度明显偏低，而在淬火加回火调质状态下使用的低合金结构钢35CrMo、42CrMo 拉紧螺杆的性能等级可达8.9～9.9 级，是用于制作定子铁心拉紧螺杆比较合适的材料。

表2 拉紧螺杆用低合金结构钢机械性能

如果取0.7σs作为铁心拉紧螺杆的许用应力，用15CrMo 冷拉圆钢材料制作的M42 拉紧螺杆的承载能力为26 670 MPa，而采用调质状态的35CrMo圆钢材料制作的M42 拉紧螺杆的承载能力为712 821 MPa。显然，采用性能等级8.9 级至9.9 级的铁心拉紧螺杆，可以大幅度地提高铁心压紧力。

4 定子铁心技术改造方案的实施

4.1 定子铁心冲片绝缘涂层更新

4.1.1 铁心冲片拆除

保证拆除铁心冲片的完好率，把可能多地原有冲片进行绝缘涂层更新，利用改刀和锋钢刀片等工具，按顺序逐层拆除定子冲片，并将拆除的冲片分类放在专门托盘上叠装固定，对其进行打包再装车运输；冲片运输过程中，对铁心冲片包装箱采取严格的固定和软性材料间隔等防护处理，是防止冲片在运输过程中损坏的必要措施。

4.1.2 铁心冲片选片

（1）鉴于处于铁心分瓣（半）面两侧的铁心冲片已经出现局部磨损和烧损，故全部予以报废处理（约占铁心冲片总数的12%～15%）。

（2）注意到部分阶梯片有缺损和松动，拆开铁心上下端部的阶梯片时，单片的阶梯片冲片会产生比较大的变形（冲片之间均涂了环氧粘接剂），故将属于阶梯片的冲片全部弃用。

（3）采用人工逐片挑选出可以用于涂层更新的铁心冲片（基本片），将表面有缺损、裂纹和严重凹凸变形的冲片检出弃用。

4.1.3 定子铁心冲片实施绝缘涂层更新

（1）采用专用的清洗和烘干设备将选出的定子冲片进行去油污、污渍清洗和烘干处理；

（2）再次对清洗后的冲片进行表面检测，并采用专用工具对出现局部可见变形的冲片进行平整；

（3）在去除冲片绝缘涂层的专用设备上对铁心冲片进行双面打磨去绝缘涂层处理；

（4）在专用设备上对铁心冲片进行去粉尘、清洗和烘干处理，处理后的冲片表面应当清洁平整、冲片线圈槽内断面无残留绝缘涂层粉末、冲片表面粗糙度适度（有利于提高绝缘涂层附着力）和冲片边缘的去毛刺检查，预处理后的铁心冲片达到铁心冲片涂漆前的标准；

（5）在水溶性涂层自动烤漆线上，对冲片涂敷两遍水溶性绝缘漆涂层（两面涂层漆膜总厚度为20～30 μm）、冲片波浪度、涂层附着力和涂层绝缘电阻等技术指标均按照常规制作新冲片质量指标考核。

4.2 通风槽片的制造

通风槽片的高度决定了定子铁心径向通风流道的高度。为了降低铁心和绕组温度差，采用5 mm×4 mm 的1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢通风槽钢代替原设计8 mm×4 mm 的碳钢通风槽钢后，每个铁心分段间的径向通风通道减低了3 mm，原1 840 mm铁心轴向高度中的48 段铁心和47 层通风槽片需改为51 段铁心和50 层通风槽片。

为了进一步增加铁心轴向高度中高导磁硅钢片材料的占比，采用50W290 硅钢片冲制通风槽板底板，经平整和去除其表面绝缘涂层工序后，用中频点焊机将其与通风槽钢点焊成通风槽片。

在通风槽片上喷涂绝缘性能良好、并对奥氏体不锈钢和冷轧硅钢片均具有良好附着性能的专用油漆。

4.3 增补新冲片的制作

4.3.1 新增补制作铁心冲片的数量主要取决于以下因素

（1）淘汰的定子铁心分瓣（半）面两边已经烧损的铁心冲片数量（约占全部铁心冲片总数的12%～13%）；

（2）替换阶梯段粘结松动的铁心冲片数量；

（3）从普通冲片中挑出的少数有局部损坏的冲片数量；

（4）增加三段叠装定子铁心所需的铁心冲片数量。

4.3.2 新增冲片冲压制造工艺

采用与原铁心冲片相同的材料50W290 冷轧硅钢片制造新增定子铁心冲片。

因原铁心冲压模具经复磨后尚可利用（如无模具，可采用激光切割制作冲片补片），故采用原模具冲压制作冲片；专用去毛刺机去除冲压毛刺后，涂敷两层0151 水性绝缘漆，漆膜厚度10～15 μm（双面漆膜总厚度按20～30 μm 控制）。

质量控制：首片合格后，冲制叠检所需数量冲片，冲片叠检合格后，冲压每千片冲片用三维光学扫描仪抽查监测冲压片尺寸；进入烤漆工序流程后，每千片抽查漆膜附着力和漆膜厚度，并用硅钢片专用漆膜绝缘测试仪抽查绝缘电阻情况；如果选择激光切割的铁心冲片，也须用三维光学扫描仪抽查冲片尺寸，首批冲片在高精度平台上进行叠检。

4.4 减小阶梯片的步长

为降低铁心端部阶梯段的固有频率，防止铁心端部阶梯片齿部再出现片间脱离和断齿，将阶梯片的步长由5 mm 降至4 mm。

选用德国DMI 公司出品的H-EPZ5009 粘接强度更高环氧型强力粘接剂，在常温下涂敷施工，在不低于20℃室温下加压24 h固化后，在15℃～25℃温度下，用测力计和吸盘对阶梯片的齿部进行双面对拉的抗剥离抽样检查，在阶梯片每个齿施加60 N～80 N 之间的力作用下，阶梯片上的冲片不应剥离。

4.5 定子铁心拉紧螺杆、螺母和蝶形弹簧的优化

由于采用水溶性绝缘涂层的铁心冲片的抗压能力增强，故将铁心压紧力提高到1.5～1.8 MPa，从而通过提高铁心的压紧力来增强定子铁心的整体刚度。

采用80 根调质状态的35CrMo 圆钢材料制作的M42 铁心拉紧螺杆（性能等级相当于8.9 级，承载能力为712 820 MPa），替代原来的78 根15CrMo冷拉圆钢材料制作的M42 拉紧螺杆（性能等级相当于5.6 级，承载能力为26 670 MPa）。

拉紧螺杆制作工艺：采用经调质处理的35CrMo圆钢（Φ45 圆钢）制造，在专门加工细长高精度螺杆的数控无心车床上加工螺杆外圆后，通过自动滚光矫直机对螺杆外圆压光的同时校直螺杆；为提高螺栓螺纹部分的光洁度和疲劳强度，用滚压成型技术加工滚压出螺杆的螺纹部分。

选用性能等级为8 级螺母和定子铁心拉紧螺杆配合使用，预紧力矩为275 kg·m。

为了使防松蝶形弹簧的抗压能力满足提高铁心压紧力的要求，选用90×46×3.5（GR2，DIN 2093-B90）厚型蝶形弹簧替换原来的蝶形弹簧。

5 发电机定子铁心工地叠装和铁损试验

5.1 定位筋的检查和调整

定位筋的形位公差直接影响到定子铁心叠装质量。用中心柱、内径千分尺等检查定位筋半径、弦距、垂直度，并测量各定位筋的相对半径偏差。根据测量定位筋的数据，选择最佳基准筋，调整托板与定位筋间隙使其相邻定位筋同一高度上偏差不大于±0.10 mm，弦距偏差不大于0.25 mm。对变形较大的定位筋可将定位筋进行局部打磨处理调整以保证定位筋的半径、弦距、筋面扭斜等符合要求。

5.2 定子铁心工地整体叠片

取消铁心分瓣（半）面，整体叠装定子铁心。从最下端开始顺时针顺序叠入阶梯片，段与段铁心之间叠入通风槽板。

穿入拉紧螺杆、装上蝶形弹簧和螺母，用275 kg·m 力矩均匀紧固铁心拉紧螺杆螺母,压紧全部定子铁心后，测量铁心内径、圆度、高度、波浪度及槽形，检测拉紧螺杆紧固力矩、蝶形弹簧压缩量数据符合要求。铁心总高度1 840 mm，圆周波浪度不大于5 mm，铁心齿部弹开度不大于3 mm，铁心内圆直径Ф4 220（-1.2～+1.2），铁心叠压系数不小于0.95。

5.3 定子铁心铁损试验

加热和热压定子铁心时，用红外测温仪监视铁心温度升高情况，保持铁心温度在60℃～70℃，12 h保温结束后，缓慢将温度降至40℃左右后，拆除保温布，趁热压紧定子铁心。检查上下螺母紧固力矩或蝶形弹簧轴向压缩量，复测定子铁心高度、圆度、波浪度、铁心压紧力等符合要求[7]。

定子叠片完成后，按有关定子铁损试验工艺导则进行定子铁损试验。PQ 水电站2F 发电机铁心冲片绝缘涂层更新后铁损试验记录数据和铁损试验结果见表3 和表4。

表3 铁损试验数据

表4 铁损试验结果

采用整体叠装定子铁心、优化铁心径向通风通道、铁心冲片绝缘涂层更新、提高铁心单位压紧力等措施后的定子铁心铁损试验表明，铁心单位铁损、温升、温差、振动等各项指标全部满足标准要求，未发现局部过热点。

定子铁心、铁损试验结束后，再次检查拉紧螺杆螺母是否有松动，并对定子铁心拉紧螺杆螺母再均匀紧固一次。

6 定子铁心改造后机组试运行情况

机组运行时定子铁心及线圈详细温度、振摆对比情况见表5 和表6。

表5 机组定子铁心改造前后振摆对比 单位：μm

表6 机组铁心技术改造前后满负荷（76 MW）定子线圈铁心温度对比表 单位：℃

机组铁心技术改造前后满负荷（76 MW）定子线圈铁心温度对比情况见表6。

对比改造前和改造后机组各振摆和温升测量数据可见，实施了定子铁心冲片绝缘涂层更新、改分瓣叠装定子铁心为整体叠装定子铁心、提高铁心压紧力、降低径向通风沟高度、增加铁心分段和铁心轴向断面高导磁铁心冲片总高度等改造措施之后，定子铁心、线圈各部位温度和温差均有显著地降低，发电机的16 倍频垂直振动、异常的电磁噪音和合缝处振动等运行隐患均得以消除；发电机的出力裕度明显增加。与改造之前相比，机组运行更加稳定，更适应环境保护的要求。

7 结语

（1）对已经运行多年、发电机部分核心部件技术性能已经老化的水轮发电机组实施技术改造，是一项对贯彻国家“循环经济”大政方针具有重要战略意义的系统工程。在制定发电机技术改造方案时，除了采用当代水轮发电机最新的技术进步成果以外，还应当对部分机组核心部件实施再制造，让机组核心零部件本身技术特性中还有使用价值的部分继续发挥作用，从而显著延长发电设备服役的生命周期。

近10 年来，德阳远东机电有限责任公司经过参与PQ 和SBX 等水电站等多台大中小型水轮发电机定子铁心实施技术改造的工程实践中认识到：以铁心冲片绝缘涂层更新为发电设备核心零部件再制造为主要内容，同时一并实施具有再制造性质的分瓣定子铁心整体化和铁心径向通风系统技术优化的发电机综合技术改造方案，具有技术上可行、经济上合理、对环境更为友好等诸多优点，这对于其他水电站运行管理单位改善水轮发电机的运行性能，取得了普遍适用并值得借鉴的经验。

（2）水溶性硅钢片绝缘涂层具有绝缘和耐热等级高、抗压、抗蠕变强度好、叠压和导热系数较大，并符合洁净生产要求等诸多优点，近十几年来，采用耐热等级为H 级的水溶性硅钢片绝缘漆作为定子铁心冲片绝缘涂层材料，已为世界各国电力工业和发电机制造行业所一致推荐。

但目前运行中的发电机（尤其是2010 年前投运的发电机），其中大多数定子铁心冲片绝缘涂层还是用有机绝缘漆涂覆的，由于有机和半有机硅钢片绝缘漆固有的固体绝缘材料含量低、绝缘涂层中对环境有害的有机成分在机组运行期间挥发到发电厂房后，发电机铁心冲片的绝缘性能逐步劣化和当下全社会推行更严格环境保护规定，在实施发电机定子铁心技术改造时，去除发电机定子铁心冲片的原有机绝缘涂层，采用水溶性硅钢片绝缘漆作为定子铁心硅钢片的新绝缘涂层，用不高的代价让这些老机组核心零部件达到甚至优于原来技术性能，这对于提高发电机运行可靠性、改善发电厂房的空气环境，可以收到事半功倍的成效。

水溶性绝缘漆比有机绝缘漆和半有机绝缘漆的优势是全方位的，全面使用水溶性绝缘漆的时代已经来临。时至今日，不管是新制造发电机定子铁心、还是对已经运行的发电机定子铁心实施技术改造，都应当首选使用水溶性绝缘漆。

图1 经过绝缘涂层更新后的SBX 水电站发电机定子铁心冲片

图2 经过绝缘涂层更新后的PQ 水电站发电机定子铁心冲片

（3）定子铁心是水轮发电机的核心部件，其重量大约占发电机总重量的1/4～1/3。根据SBX 水电站测算：在1 号发电机定子上，采用水溶性绝缘涂层对全部原铁心冲片绝缘涂层进行更新，比全部采用重新制造的铁心冲片进行发电机定子铁心技术改造,每台发电机定子铁心改造可节省检修费用680 万元，经济技术合理性表明，在发电机技术改造领域，定子铁心绝缘涂层更新技术具有重要的推广价值。