三峽左岸電站700MW水輪發電機定子引進技術

劉文進

（上海福伊特水電設備有限公司，上海200240）

三峽左岸電站共有14臺水輪發電機組。安裝于三峽左岸電站單機容量700MW的8臺混流式水輪發電機，是由瑞士ALSTOM公司（主承包商，原ABB公司）與哈爾濱電機廠有限責任公司（分包商，簡稱HEC）聯合設計、合作生產。其中有2臺整機是由HEC制造。三峽左岸電站的另外6臺機組系由福伊特、GE和東方電機廠有限責任公司聯合設計、制造。現主要介紹從瑞士ALSTOM公司引進的發電機定子的核心技術。

1 發電機基本參數

發電機總裝配圖如圖1所示。

額定功率：700MW；

額定電壓：20kV；

額定電流：22 453A；

額定轉速：75r／m；

飛逸轉速：151r／m；

功率因數：cosφ＝0.9；

轉動慣量GD2：4 414 500kNm2；

定子鐵芯外徑Da：19 720mm；

定子鐵芯內徑Di：18 800mm；

定子鐵芯長度Lt：2 950mm。

圖1 發電機總裝配圖

2 定子機座

定子機座是發電機的重要組成部分，用來固定機組核心部件定子鐵芯和線圈，并承受電磁、機械以及熱膨脹產生的應力。ALSTOM公司的8臺機座均由HEC公司制造。機座外壁為20邊形貼壁結構，壁厚15mm，共有20個斜立筋，外徑為φ22 028mm，高度為5 545mm。機座焊成整體后，環板的內緣不上立車加工。在圓周方向分為5瓣運輸，合縫處用臨時小合縫板定位，工地組焊成正圓。由公路運至大連或葫蘆島港口，然后從長江水路經上海轉運到三峽工地。

（1）定子機座的特點為斜立筋結構，如圖2所示。由20個斜立筋周向均布、徑向逆時針偏40°組成，其偏轉角度據有限元計算得出。定子機座的剛、強度用ALSTOM公司的專用程序HT 563計算得到。這種斜立筋的優點是能發揮斜立筋的彈簧效應，可減少熱應力；能有效防止定子疊片翹曲，以及對基礎的破壞；該結構具有足夠的彈性，允許機座自由熱膨脹，可保證圓環的穩定性和同心度；它還有特定的切向剛度，適應靜態和動態扭矩作用時的不同工況。

圖2 定子機座

當定子機座熱膨脹時，斜立筋會朝機械阻力最小的方向偏轉，帶動斜立筋連接的環板同時偏轉，從而保證同心。在電磁扭矩或突然短路作用下，斜立筋會朝機械阻力最大的方向變形，具有一定剛度，從而具有很高的穩定性。在國產傳統設計中，一般采用徑向鍵，即機座與基礎板可徑向滑動來防止因熱膨脹而造成的定子鐵芯翹曲［1］；但可滑動基礎板不能防止機座彎曲，而且當各基礎板所產生的摩擦力不盡相同時，會使機座在冷、熱交變的應力作用下發生橢圓變形，使定子鐵芯不能保證同心；即使經常檢查，個別滑動基礎板也會出現摩擦卡住的現象。斜立筋則降低了這種運行維護的風險，也減少了基礎板應力。

定子機座采用斜立筋結構，經優化設計還可容易改變定子的自然頻率，躲開危險的共振頻率范圍。機座的自然頻率根據有限元計算得到，熱態時，定子鐵芯與機座耦合作用也應同時考慮。

（2）機座的斜立筋由彈性板和上、下端板組成，材料為S 355J2G3鋼板，總高度為5 545±3mm。彈性板厚60mm，上端板厚60mm，通過螺栓穿過連接環與上機架連接。下端板厚90mm，通過螺栓、銷子與定子基礎板相連接。斜立筋焊后退火后，單件只加工上、下端面。定子機座斜立筋下板通過2個軸向定位銷防止竄動，并用8個螺桿與定子基礎板相連。ALSTOM公司斜立筋結構應用經驗統計表如表1所示。

機座具有7層環板。上環板厚度20mm，下環板厚度50mm，中間環板厚度均為15mm。環板的材料為S 235JRG 2，環板外圓為20邊形，內徑為φ19 800mm。由于定子鐵芯采用穿芯螺桿，無齒壓板上的頂絲作用在上環板上，且穿芯螺桿的壓力全部作用在定子鐵芯上，所以上環板比以往國產相近容量的傳統結構薄30%以上。下環板內徑為φ19 194±6mm，上面布置270個φ30mm的穿心螺桿孔，在工地待機座焊成整圓后以沖片為樣板用磁力鉆攻鉆。由于下環板承受定子鐵芯及定子線圈的質量，會向下彎曲，所以采用環筋和立筋加強剛度。下環板平面度要求徑向2mm、切向3mm／m、總值10mm。整個環板內緣的同心度要求為4mm，內緣采用精密氣割工藝保證圓度。

表1 斜立筋結構應用經驗統計表

ALSTOM公司設計的定子機座不論機組容量大小均為此結構，按他們的設計經驗，大機組機座環板之間的距離約為500mm，環板的徑向寬度約為600mm，2個斜立筋之間的弦長約為3 500mm，如表2所示。

表2 機座環板之間的設計距離統計表 ／mm

機座各環板之間還裝有小立筋，板厚度為15mm。機座用小合縫板在制造廠內預裝成整圓，打上相應標記后拆開，到工地組焊成整體。定子機座在主、中引線處的立筋、壁等均采用15mm的非磁性鋼板X 6CRNIT 118－10，可有效防止磁場在金屬構件中引發的渦流損耗和發熱。

在定子機座裝焊過程中，由于上、下環板弦長達12 343mm，厚為15mm，含4個斜立筋槽，撓度非常大。制造時，如按ALSTOM公司工藝往斜立筋上插環板，由于尺寸大，實際操作非常困難，所以環板改為4塊下料，即每個斜立筋之間為1塊環板。在機座組裝和焊接過程中，隨時檢查機座的圓度和水平，對稱焊接，方向交變進行，焊后機座直徑收縮4～5mm。首臺定子機座國產化制造過程中遇到的問題較多（見圖3），總制造周期約1年，后幾臺機座經總結經驗后，則3、4個月完成一臺，成品機座如圖4所示。

3 定子鐵芯

定子鐵芯高度為2 950＋100mm，內徑為φ18 800±1.5mm，外徑為φ19 720mm，沿軸向共分布46個徑向通風溝，通風溝高度為6mm，每段鐵芯高55.15mm。整個定子鐵芯疊片后不采用熱壓工藝，但在90min的鐵損試驗后，要求再次把緊定子鐵芯拉緊螺栓。定子鐵芯裝配完成后，總質量為508t。

（1）定子沖片是日本進口的V250－50硅鋼片，厚0.5mm。每張沖片9個槽和9個穿心螺桿孔。沖片弦距為1 032.07mm，每張沖片有3個鴿尾槽。沖片外圓是直徑為φ19 720mm的180邊內接多邊形。沖片槽形尺寸槽寬為38.6mm，槽高為182.2mm。沖片沖后去毛刺，要求毛刺不大于3μm，雙面涂漆；漆膜厚度為單面8～15μm，在5MPa下電阻大于300MΩ［2］。首臺機座定子沖片制造周期約為2m。

圖3 機座設計制造石川分析圖

圖4 定子機座

（2）定子鐵芯采用穿心拉緊螺桿壓緊系統，如圖5所示。每500mm高度壓緊一次。拉緊螺桿為M20，長度為3 320mm，直線度要求0.3mm／m，材料為進口的42CrMo4。拉緊螺桿不包絕緣，在拉緊螺桿上、下兩端至第一個通風溝處套絕緣管，然后通風溝處裝設絕緣套筒，對鐵芯的絕緣數值不小于15MΩ。拉緊螺桿上端用一個碟形彈簧，碟形彈簧外徑φ180mm，內徑φ92mm，自由高度14mm，碟形彈簧75%行程（3mm）時，彈力為125kN。每個拉緊螺桿的預拉應力為125kN，螺桿的伸長量為6.2mm（工地抽查10%）。定子鐵芯共用270個拉緊螺桿，定子鐵芯的壓應力為150N／cm，此時碟形彈簧的壓縮量為3mm。

圖5 鐵芯穿心拉緊螺桿壓緊系統

（3）定子鐵芯通過托塊和雙鴿尾筋固定在機座上，鴿尾筋長3 130mm，直線度要求0.1mm／m，共用180個鴿尾筋。鴿尾筋的調整是通過角鋼和調整板實現的，在鴿尾筋的上、下兩端，即機座的最上層中環板和最下層中環板的位置各裝一個角鋼和調整板，調整板有一個加工成以R為半徑9 885.12mm的邊，雙鴿尾筋靠在調整板，然后用螺栓將鴿尾筋把合在角鋼上，待托塊焊后，拆除角鋼，垂直度為0.02mm／m，相鄰各筋半徑差不大于0.15mm。疊片時，要求沖片與鴿尾筋必須靠緊，若沖片與鴿尾筋之間有間隙，否則在運行時期，彈簧板因接觸不良，發揮不了傳遞和吸收應力的作用。

（4）定子鐵芯上、下齒壓板均采用非磁性雙壓指結構，即一齒兩壓指的特殊結構。上、下齒壓板平面度要求0.5mm，下齒壓板留10mm工地配加工余量；到工地根據機座下環板的實際情況配加工，然后焊在機座下環板上。

（5）定子沖片錯1／3疊片，鐵芯兩端的沖片在齒部有2mm的溝槽，槽內插入1.8mm的絕緣墊片，用LJ－K 3粘牢，防止端部磁場產生的渦流損耗，特別是對減少振動和瓢曲十分有利。鐵芯上、下兩端各疊成6個4×5mm的臺階，用環氧樹脂（Epoxide Resin，EP）EP－03將鐵芯上、下兩端粘成整體，且不允許加補償片。中間段采用絕緣補償片，在疊片時必須與普通沖片粘接在一起，波浪度用整張沖片調整。

定子鐵芯疊片后，槽形尺寸為：槽寬38.3mm，槽高182.0mm（電磁計算單上的尺寸）。做鐵損試驗1.3～1.5T，90min［3］，然后再將鐵芯拉緊螺栓把緊一次，以此代替國產傳統的冷疊熱壓工藝。

（6）定子鐵芯沿圓周布置18個電阻溫度計，在上、下齒壓板上各布置9個電阻溫度計；另外，在定子鐵芯圓周上還安裝8個監測氣隙的傳感器。

4 定子線圈

（1）定子線圈為水冷結構，實心導線是玻璃絲漆包線，線規是祼線2.12×13.5mm，外包玻璃絲漆線2.33×13.71mm，導線的溫度指數為200℃，單面絕緣厚度為0.105mm。空心導線是不銹鋼材料X 2 CRNI 19－11，線規是外型4×13.3mm，內孔2×11.3mm。定子線棒360°羅貝爾換位，換位長度為3 054mm，實心導線的換位節距為52mm，空心導線的換位節距為145mm。

定子有540個槽、5并聯支路、每極每相槽數q＝、繞組系數為0.953 8、槽節距1－8－14、每臺共計1 080根線棒。主絕緣單邊絕緣厚度為4.6mm［4］，工作強度為2.51kV／mm，擊穿強度為32.9kV／mm，防暈層單面厚度為0.15mm［5］。

（2）線棒在槽內的絕緣結構是：在線棒的高度方向的上、下面墊一層半導體玻璃布板0.5×27.5mm LEIT 3，用導電膠粘在線棒上，使導體內的電場均勻，槽內的防暈結構至出鐵芯130mm處結束。線棒只在空心導線和兩個相鄰實心導線處墊換位絕緣。端部的主絕緣單面厚度為4.6mm，端部的防暈結構從出鐵芯130mm處開始，在距線棒彎部205mm處結束，端部防暈層單面厚度為1.61～1.76mm，然后在整個端部包一層高阻防暈帶。下線時用半導體帶子對折后注入硅膠（2h后固化），然后以螺旋式纏繞在線棒上下入槽內。

定子線棒共10種規格，分別為R1～R10。上層線棒以圓柱形展開，端部沒有升高值，下層線棒以圓錐形展開，上、下層線棒引線頭間距離為64mm。線棒成型是在進口成型機上完成的，圖紙上給出了彎柱中心線。線棒絕緣前從直線部分向斜邊過渡處的彎曲半徑為60mm，半徑較小增加了制造難度，其工藝過程見圖6所示。

圖6 線棒端部彎型制造過程

定子線棒股線匝間耐壓試驗電壓U＝110V，對定子線棒做80kV的交流耐壓試驗，時間為1min。單根線棒的工頻交流起暈電壓不小于1.5倍額定電壓，定子線棒瞬時工頻擊穿電壓不小于6.5倍額定電壓。圖7為成品線棒做電老化壽命試驗。線棒的各項試驗都由主承包商及用戶代表目擊見證。

圖7 成品線棒老化壽命試驗

每個線棒端部都焊有連接板裝配，它與水盒相連，從而實現水路和電路的連接。連接板包括一個L型銅板，2個NI 300塊和一個不銹鋼板。NI 300塊起支撐作用，該材料與銅、不銹鋼都有良好的焊接性能；焊接均采用氬弧焊。水盒的焊縫做1.8MPa的水壓試驗。

每個空心導線必須用φ1.0mm的不銹鋼絲探測，在制造過程中該探測試驗做2次，第1次在直線膠化后，第2次在端部成型膠化后。線棒成型后在焊水盒前做水流量測試，水壓為0.1MPa，最小流量為3～0.3l／min。線棒在焊水盒后，首先要做滲漏試驗，水壓為1.5MPa，時間20min，然后做風流量測試，此測試為一個比較測試，風壓為0.004MPa，空氣流速不得低于5.96m／s。

（3）定子繞組共180支水路，每3個線圈串連為1路。每個線圈的水盒通過聚四氟乙烯管與純水管連接。純水管采用不銹鋼材料，有2個環管：一個是進水管，分布直徑φ19 200mm；另一個是出水管，分布直徑φ19 940mm。純水管的直徑為φ168.3mm，壁厚為3.2mm。機組在最大容量時（840MVA），定子繞組的純水流量為2 500l／min，水在空心導線內的流速為2m／s，進入空心導線純水的溫度為38℃，出水溫度為60℃。定子線圈水冷卻系統采用上述聚四氟乙烯水管，從根本上解決了以往傳統結構采用銅管做連接水管時，因其剛性大、連接位置有偏差、不易調整的難題（見圖8）。

圖8 定子線圈水冷卻系統

5 定子嵌線

定子嵌線時，定子線棒直線段包0.1×100PETP VLIES LE 3半導體無紡帶，3M電氣自粘帶和半導體硅橡膠SI 52，厚度為0.44mm，即繞線包扎（Round Packing），其兩端比鐵芯長度長15mm，線棒軸線方向高度偏差不大于4mm，切向不大于1.5mm，保證斜邊間隙為14mm。

槽底沒有墊條。層間墊條厚度為10mm，材料是HGW 37，涂LL 17低阻半導體漆，在層間墊條處裝180個電阻溫度計。槽楔下墊0.1～1.5mm不同厚度墊條，材料是HGW 37.5。槽楔包括主槽楔和副槽楔，主槽楔的材料是HGW 37.1，副槽楔的材料是HM 34。在工地打緊副槽楔，與以往不同之處是在主槽楔和副槽楔之間墊波紋板。可通過帶孔的槽楔來檢測波紋板壓縮緊量是否符合設計要求。

線棒在出槽口處用φ5mm玻璃絲繩浸復合樹脂EP 139綁扎。線棒上端每隔9個槽設1個槽口墊塊，防止線圈下沉。槽口墊塊的材料是HM 34，涂LL 16高阻半導體漆，槽口墊塊兩側墊聚酯氈PETP MAT 1，用φ5mm玻璃絲繩浸復合樹脂EP 118綁扎，然后涂LL 16高阻半導體漆。

線棒上、下兩端各有一道端箍，端箍無支架支撐。國產機組大都采用非磁性金屬材料做端箍，非磁性金屬材料雖然避免了端部磁場在端箍中產生的渦流損耗，但金屬材料端箍受熱膨脹變形較大、較快，與絕緣材料不同步，容易破壞線圈端部絕緣。采用絕緣材料端箍，即用φ50mm玻璃絲繩注入復合樹脂EP 310，然后涂LL 16高阻半導體漆，這樣就從根本上避免了大尺寸機組熱膨脹帶來的危害。線棒上、下兩端各有兩道斜邊墊塊，斜邊墊塊的材料是HGW 37，涂LL 16高阻半導體漆。斜邊墊塊包一層聚酯氈PETP MAT 1，浸復合樹脂EP 213，中間刷復合樹脂EP 139，然后用玻璃絲編織帶GL 7和EP 139包扎，最后涂LL 16高阻半導體漆。固化24h后，對表面用砂紙打磨到光滑為止。

絕緣盒用HGW 38繞制而成，在絕緣盒與線棒絕緣接觸處涂LL 16高阻半導體漆，在絕緣盒與水盒接觸處涂LL 17低阻半導體漆。安裝時，絕緣盒內不注環氧樹脂，而是再一次在絕緣盒與水盒接觸處涂LL 17低阻半導體漆，并保證絕緣盒與水盒電氣接觸。然后用φ9、11、25mm玻璃絲繩浸復合樹脂EP 118塞緊。該絕緣盒結構為通透結構，不但有利于拆卸水接頭，而且對線棒端部冷卻散熱非常有利。正是具有這個優點，國外設計的空冷機組也在推廣采用這種新型結構的絕緣盒（見圖9）。

圖9 空冷機組空芯絕緣盒

6 銅環引線

銅環引線分9層布置，分布直徑為φ20 180mm，銅環引線采用水冷，銅管的外徑為φ45mm，內徑為φ15mm，銅環的電流密度是3.176A／mm2，銅環的單邊絕緣厚度為4.6mm。銅環與銅環之間的連接是用一個外徑為φ20mm，內徑為φ15mm的銅管連接的。工地焊接時，在管之間墊0.2～0.3mm厚的銀焊片（L－AG 15P），再用φ2mm銀焊絲補強，采用中頻焊接，焊接溫度為710～730℃，焊前仔細清理，焊后不探傷。銅環引線的水路連接是用一個45×45mm的方銅連接的，方銅上面真空釬焊一個不銹鋼水接頭，焊料是鎳鉻焊料。完成線棒與匯水環管的連接后，對匯水管以內系統用干燥空氣或氮氣充氣，24h后壓力降至0.2%以內為合格；否則將充50%氦與空氣混合氣來檢查漏點。

7 啟動驗收

三峽左岸電站首臺機組5＃機于2003年7月18日完成了啟動驗收，并移交電廠管理。機組在啟動試運行中完成了合同規定的試驗項目和72h帶負荷連續運行，運行狀況良好，尤其定子方面采用的斜立筋先進技術，對減少熱膨脹對機組的危害和減少機組振動，效果特別明顯，用戶對此高度贊賞。

8 結 語

瑞士ALSTOM公司為三峽左岸電站設計的700MW水輪發電機定子裝配具有一定的技術特色，代表了當代巨型水電機組的先進技術水平。

尤其是定子機座采用斜立筋結構，與國產傳統結構相比，不但其質量減輕了35%以上，而且從根本上消除了大尺寸部件因熱膨脹影響機組運行安全的隱患；雙鴿尾筋與托塊之間不需要焊接，減少了工地安裝工期；雙指結構的定子齒壓板及帶碟型彈簧的穿芯螺栓鐵芯壓緊系統，不但解決了超長定子鐵芯的裝壓工藝問題，而且省去了煩瑣的熱壓工藝提高了抗失穩能力；薄壁不銹鋼定子空芯線與傳統設計銅材料相比，提高了熱傳導性能和耐腐蝕強度；不注膠的空芯絕緣盒對提高線圈端部風冷效果非常有利；特殊的定子絕緣結構不但延長了機組使用壽命，還提高了機組運行的可靠性指標等［6］。這些先進的設計理念值得深入研究、分析、消化和總結，引進的技術和經驗對我國自主研發白鶴灘水電站1 000MW特大型水輪發電機具有實用價值。

［1］白延年.水輪發電機設計與計算［M］.北京：機械工業出版社，1982：181.

［2］王治國，張蘭芝.三峽定子沖片涂漆技術工藝分析［J］.上海大中型電機，2005（3）：32－34.

［3］李 楠.大型水輪發電機定子磁化試驗［J］.水電與新能源，2011（4）：66－68.

［4］陳錫芳.水輪發電機電磁與計算［M］.北京：中國水利水電出版社，2011：181.

［5］赫 欣.環氧粉云母絕緣兩種制造工藝釋疑［J］.大電機技術，2010（6）：1－4.

［6］黃源芳.三峽水輪發電機組和水力發電設備的技術進步［J］.水力發電，1996（3）：60－63.