淺析某FPSO船用發電機定轉子繞組大修

馮俊巖，廖劍鋒，姜犖犖，劉 孟

（深圳海油工程水下技術有限公司，廣東深圳 518067）

0 引言

某FPSO原為運輸油輪，始建于1975年。1995年在新加坡進行升級改造為1艘140 000噸級具備原油處理、儲存及外輸能力的儲油輪，自1996年開始服役于南海某作業區油田至今。船上3臺發電機設備經長期運行后，設備老化嚴重，且從未進行過大修，如若繼續長期使用將存在較大隱患。在近年的各項檢驗中亦發現了較多影響安全生產的問題，因此某作業區決定對發電機進行大修。

1 發電機基本情況

1）發電機主要參數：品牌型號：HFJ5-714-14E；額定功率2 250 kVA；額定電壓450 V；額定電流2 885.7 A；額定轉速720 r/min；功率因數0.8；頻率60 Hz；相數為3；接線形式為Y型；絕緣等級F；勵磁電壓85 V；勵磁電流8 A；發電機制造廠為韓國HYUNDAI；生產日期為1994年12月；設備重量11 200 kg；設備編號94EWDH423。

2）發電機主要結構：發電機由定子、轉子、端蓋及軸承、油密封裝置、軸瓦、冷卻器、勵磁機、永磁機、旋轉整流器及其外罩、出線盒和內部監測系統等部件組成。該發電機為三相交流隱極式同步發電機。發電機采用整體全封閉，空氣內循環，利用水冷卻器的冷卻方式[1]。

2 發電機進廠檢查

在船廠期間對發電機的底座螺栓、聯軸器、飛輪盤、冷卻管線、滑油管線等設施先行拆除，再逐一對3臺發電機進行吊裝出倉作業，順利裝車后送至維修廠。發電機拆除及吊裝工作前要做好施工方案和作業前工作風險分析（Job Safety Analysis，JSA），確保發電機安全拆除，順利抵達維修廠。發電機進廠后進行解體檢查，需要拆除端蓋、軸瓦、內部電流互感器、電壓互感器等設備，并且抽出轉子。轉子抽出過程需小心謹慎作業，保證轉子不受損傷。下文對其中1臺發電機的大修過程進行簡單介紹。

1）對已經解體的發電機的定子和轉子繞組分別進行直流電阻檢測，現場采用上海雙特電工品牌的QJ44型攜帶式直流雙臂電橋測量[2]。

定子繞組相電阻的測量結果分別為：R11＝0.000 678 7 Ω；R12＝0.000 676 1 Ω；R13＝0.000 676 7 Ω。平均值R1＝（R11＋R12＋R13）/3＝0.000 677 1 Ω。相對誤差△R＝[（Rmax－Rmin）/R1]100%＝0.38%。

根據GB 50150—2016《電氣設備試驗方法》，相互間差別不應超過其最小值的2%為合格。轉子繞組相電阻的測量結果為：0.006 652 Ω。

2）對發電機的定子和轉子繞組分別進行絕緣電阻檢測，現場采用FLUKE品牌的PC27-5G型絕緣電阻測試儀器，測量時打到1 000 V檔位。

在耐壓試驗前定子繞組絕緣電阻的測量結果如表1所示。

表1 定子繞組絕緣電阻測量值和吸收比計算值

根據GB 50150—2016《電氣設備試驗方法》，吸收比該值大于1.3或1.2為合格。

轉子繞組絕緣電阻的測量結果為：55 MΩ。

3）對發電機的定子和轉子繞組分別進行耐壓試驗，現場采用上海徐吉電氣品牌的YD-30KVA型交流耐壓試驗變壓器，試驗電壓按照GB 50150—2016《電氣設備試驗方法》規定選取。

定子繞組交流耐壓試驗的試驗電壓為1 520 V，試驗時間為1 min。

試驗結果為：U相通過；V相擊穿；W相通過。因此試驗結果不合格，需要重新更換定子繞組。

轉子繞組交流耐壓試驗的試驗電壓取1 500 V，試驗時間為1 min。試驗結果為：一相擊穿。因此試驗結果不合格，也需要重新更換轉子繞組[3]。

3 發電機維修過程

發電機解體檢查的結果顯示，定子和轉子繞組都出現了絕緣性能低，繞組被擊穿的現象。考慮到發電機為關鍵設備，船舶后續的生產和生活都需要穩定且連續的電源供應，因此業主決定重新制作并更換全部繞組[4]。

按照舊發電機原有的繞組技術數據重新更換新繞組，可以保證發電機性能和原有性能相近。但是由于原有發電機老舊，年代久遠，原始數據丟失，因此只能先對舊發電機進行基礎測量，然后對基礎數據計算分析后得到繞組技術參數，最后按照繞組技術參數進行發電機繞組大修。但隨著現代材料和工藝的發展，如果原工藝參數有可以優化的空間，還需對原有數據進行分析，改善原有參數，使之更加穩定可靠。

4.1 發電機定子繞組大修過程：

1）首先記錄定子繞組原始數據：鐵芯外徑Da＝1 120 mm，鐵芯內徑Di＝880 mm，鐵芯長度Lt＝780 mm（8 mm風道16個），鐵芯槽寬bn＝8.50 mm，鐵芯槽深hn＝61.0 mm（楔下57.5mm），定子槽數Z＝150個。繞組參數：極數2p＝10；每極每相槽數q＝5；節距Y＝10(即1～11)；并聯路數a＝10Y；電磁線規格為3-3.65×6.50FMB-40聚酯薄膜單面補強云母帶繞包線；線圈匝數2；線圈長度為直線850 mm，總長1 165 mm；槽內填充參數：槽底1 mm、層間5 mm、槽楔3 mm[5]。

2）對原有數據進行分析，并做電磁計算：

每只線圈導線總截面＝導線數量×導線面積：S＝22.86 mm2，r＝1.0。電流密度＝相電流/回路數/導線總截面：J＝4.209 2 A/mm2。線負荷＝[相電流/回路數]×[匝數×層數×槽數]/圓周長：A＝626.50 A/cm。熱負荷=線負荷×電流密度：AJ＝2 637.06，對于冷卻方式IC86W37可行。短距比：0.666 7，對于10極電機，此短距比偏小。

電磁線絕緣型號為FMB-40/155，此型號云母帶繞包線國內生產很少，僅常熟電磁線廠試制過，擊穿電壓10 A、彎曲 4 000 V。上海申茂電磁線廠只有FMB-50/155，FMB-40/155的2種型號，未查詢到相關介紹。而且FMB-**/155的工藝性比較差，繞線或漲型時容易受損傷[6]。

3）新線圈設計：采用銅扁線，因為原有繞組線圈主絕緣太薄，容易受損傷，且原電機就是耐壓擊穿的，因此，對于新線圈的主絕緣要予以加厚, 并對線規予以調整，改為：3.90×6.10S＝22.930 mm2＞22.866 mm2，絕緣型號采用SBMYFB-32/180-1N型0.035 mm單面膠復合薄膜2/3疊包1層，加單層玻璃絲包繞，H級漆，自粘，擊穿電壓4a彎曲6 000 V。

絕緣導線A＝4.22 mm；B＝6.40 mm；主絕緣前寬度6.50 mm；高度25.50 mm；線圈主絕緣厚度1.65 mm；線圈主絕緣后寬度8.15 mm；高度27.15 mm；嵌線間隙寬度0.35 mm；高度楔下0.20 mm。

4）新線圈需進行試驗：對匝間絕緣進行可靠性評估，通過計算合理選擇沖擊電壓。線圈的絕緣結構也需進行驗證，在纏繞過云母帶后進行擊穿電壓試驗，評估線圈絕緣水平。

5）鐵芯溫升試驗：按照DL/T 596—2015《電力設備預防性試驗規程》規定，鐵心溫度最高點的溫升不超過25 K，溫差不超過15 K。

6）線圈嵌入后的半成品試驗：在定子繞組浸漆前，需要進行單定子短路試驗和接線相序測試，以確保繞組在通額定電流下，短路電壓在規定的范圍內，且三相電流平衡，相序正確，繞組接線無誤。

7）鐵芯和繞組各項檢測數據合格后，對定子整體進行真空壓力浸漆。浸漆前和浸漆后均要進行絕緣檢測，記錄檢測數據，評估檢測數據是否合規。浸漆后應進行交流和直流耐壓試驗，試驗后還需重新測量絕緣電阻并計算吸收比，所有數據均應在標準范圍內，以確保定子繞組維修質量。

4.2 發電機轉子繞組大修過程

1）首先測繪轉子繞組原始數據，包括：轉子外徑、轉子鐵芯長度、每極線圈數、槽數、槽尺寸、繞組直流電阻、線圈交流阻抗等數據，以此為依據，核算轉子電磁參數。選用優質漆包圓銅線，根據重新選用的線規、匝數、絕緣厚度、導線并繞根數，重新制作并纏繞轉子繞組。

2）轉子線圈重新繞制過程，在不同階段要進行半成品、成品相關的試驗，用以驗證繞組的可靠性和安全性。先進行單組線圈檢查和試驗, 主要包括：直流電阻測量、絕緣電阻測量、交流阻抗測量、交流耐壓試驗和匝間電壓沖擊等。試驗結果合格后，再進行線圈連接后的各項檢查和試驗，主要包括：直流電阻測量、絕緣電阻測量、各磁極線圈交流壓降分布、直流壓降分布和極性檢查等，試驗結果同樣都要符合標準規定。

3）轉子繞組各項試驗數據均合格后，接下來要進行轉子真空壓力浸漆工序。浸漆前后都要進行絕緣電阻檢測。如各項數據正常，浸漆后還需進行交流耐壓試驗，試驗數據要符合標準規定，所有數據均在標準范圍內，以確保轉子繞組維修質量。

4）完成轉子繞組維修后，需要裝配所有附件，進行轉子動平衡調校。根據相關國家標準，根據轉子重量、發電機額定轉速，確定動平衡品質要求，調校后應達到G1.0或G2.5標準[7]。

5 發電機修后試驗

發電機重新更換繞組，并完成定轉子部件組裝后，在維修廠內需進行必要的機械構件檢查，如：滾動軸承或滑動軸承裝配、發電機附件裝配等。各項裝配數據合規后，需進行空載運行試驗、1.3Un電壓試驗、定子繞組短路溫升試驗、1.2ne超速試驗以及不同工況下的振動和噪聲檢測。完成上述測試項后，可確認發電機大修初步完成。發電機出廠回船復原安裝后，要進行最后一步負載試驗，以驗證大修后發電機性能是否滿足使用要求。負載試驗宜采用外部干式負載箱進行。負載箱的選用要根據發電機的電壓、頻率及容量來選擇[8-9]。負載箱的接線要盡量減少接線次數，以便能將3臺發電機依次分別完成單機負載試驗、兩兩并車試驗及3臺并車試驗。按照船級社的規范要求，可以按照25%、50%、75%這3個階段進行加負載試驗。如各個階段試驗都通過，再進行負載突增、突減試驗，突增和突減的負載大小可根據日常使用情況選擇范圍，所有試驗結果均應達到規范要求。

6 結論

本文從待修發電機的進場檢查、新線圈計算、新線圈試驗、發電機修后試驗這些方面介紹了某FPSO船用發電機的大修過程，重點介紹了發電機繞組修理。因為定轉子繞組是非常重要的部件，也是易出現故障的部件，因而發電機大修即主要是對繞組的修理。繞組修理質量的好壞，對發電機的性能有很大的影響。