浅议水轮发电机增容改造技术

[摘 要]设计正确、结构良好的水轮发电机能够可靠地运行50年以上而不需要大修。但是水轮发电机运行多年后，常出现某些故障而影响运行的可靠性，缩短了使用寿命，导致整个电力系统可靠性降低所以对其的改造工作势在必行。可通过利用新技术、新材料、新工艺等手段对水轮机发电机进行增容改造，提高单机容量和效率，并增强运行的安全可靠性，成为充分开发水力、提高水能利用率的有效途径。为此，介绍了水轮发电机增容改造的方案与措施。

[关键词]水轮发 电机 增容改造 转子 定子 通风

中图分类号：TV734.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）18-0018-01

从上世纪五十年代以来，我国建设了一大批中小型水电站。这些电站为国家的经济建设和发展作出了突出贡献，但是水轮发电机使用时间过长，就会出现某些各种各样的问题而影响运行的可靠性，缩短了使用寿命，导致整个电力系统可靠性降低。因此，老电站增容改造是设备制造企业和电力运行单位所共同关注的话题，增容改造成为电站技术改造的主要内容，是老电站改造的一大趋势。我国近年来非常重视挖掘现有水电站的潜力，对运行多年的水轮发电机进行增容改造，使机组的性能得到了改善，取得了显著的经济效益。

一、改造设计

增容改造与更新改造大不一样，它不仅能给电站多创造经济效益，也能创造良好的社会效益，还可对整个水电设备制造行业的发展和进步起到积极的推动作用。

1、电磁改造

1.1 定子绕组绝缘结构改造

具有现代绝缘系统的新定子绕组是基于真空压力浸渍工艺（VPI）。假定增容改造前后发电机额定电压保持不变，定子槽漏抗与瞬态电抗成正比关系，由《同步电机电磁计算公式》及《水轮发电机设计与计算》的推导可得出：

θi―定子线圈绝缘温度降，℃

Wi―铜耗在线圈表面产生的单位热负载，W/cm2

δi―定子绕组.单边绝缘厚度，cm

λi―定子绕组绝缘的热传导系数，W/cm℃

A―定子线负荷，A/cm

ja―定子绕组的电流密度，A/mm2

KF―定子绕组的费立德系数

L―线圈周长，cm

t1―定子齿距，cm

图1所示为改善占空系数的某一真实电站的情况。欧姆铜损耗与绕组温度的降低可以修正冷却风路，诸如较低的冷却气量和通风损耗，其改善程度可能在很广泛的范围，

在改造过程中，笔者采用以下技术措施：一是改变绝缘浸漆工艺，提高绝缘等级为F级，采用耐电压高介质损耗低的绝缘材料，减薄了绝缘层厚度，腾出空间。二是采用特有烘漆工艺填充线圈间和线圈与铁芯的空隙，增加线圈的散热能力减少绝缘温降。三是改变励磁方式，去掉电机附加绕组线圈，改为静止可控硅励磁。通过上述三项技术措施，一般发电机均可增加一个容量级次。在相同电压等级下，采用坏氧粉云母绝缘材料可较50～60年代采用的沥青绝缘的厚度减薄10%～20%，若采用F级绝缘，主绝缘厚度还可进一步减薄，从而增加定子绕组导体截面积，使定子绕组温升降低，同时主绝缘减薄也有利于绕组散热。

1.2 转子改造

水轮发电机增容改造时，一般可不动转子结构及励磁绕组。但增容容量较大及转子温升过高时，可采取下述处理措施：应适当增加转子铁芯高度，更换励磁绕组；若定子、转子间气隙较大，在不至于影响安装和运行可靠性的前提下，可适当调整气隙，以降低励磁电流，减小励磁绕组电流密度，降低转子温度；适当减薄磁极托板，增加少数几匝磁极线圈，降低励磁电流；转子极间有足够位置时，可增加磁极线圈的宽度来降低转子温度；采用楔边形铜线或散热匝的结构，增加磁极线圈的散热面积，也可降低转子温升。发电机增容改造后，由于原动力要相应增加，闸门或调速机构关闭时间相应增加，这就要求发电机提高飞逸转速，增加发电机转子的机械强度。

2、改进通风系统

减少通风损耗，不仅可以提高发电机效率，而且可以降低由、这部分损耗产生的热量，降低电机的温升。随着我国水轮发电机制造水平的不断提高，通风冷却技术也有了较大的进步。非同轴风扇-空气冷却器方案也能改善水轮发电机。如果发电机温度偏高，就必须采用风路方案；如果温度太低，就可以减小风扇叶片的角度，降低冷风量和风扇损失，更换效率低的风扇或者安装辅助风扇也能改善气流。辅助风扇的效力受控于发电机负荷或绕组温度两个方面。安装新型、高效空气冷却器及与负荷有关的冷却水控制系统可以节省冷却用水。空气冷却器：在改造装有空气冷却器的水轮发电机时，应对空气冷却器的换热量进行核算，并要保证留有一定裕度。如不满足，则需增加空气冷却器数量或换用容量更大的新型高效冷却器。需要注意的是在机组增容分析时应当核算冷却器裕量是否足够，若增容时冷却器的散热冷却能力不够，则需加大冷却器的容量。

二、电站增容改造的基本方法

水轮机改造方法收集电站有关原始资料，根据机组多年运行的实测资料确定水力参数，按重新确定的参数来选择适合电站运行的新型水轮机型号，包括转轮型号和转轮直径。水轮机改造过程中，要特别注意改造部件和保留部件之间的匹配问题，所选择的新型转轮尽量与原机型的导叶高度一致或相差甚小，新转轮直径与原转轮直径尽量相等或相差不多。因此，在进行水轮机改造时，需要拿出个以上方案进行综合技术经济分析，选择出最优秀的改造方案。评估增加工程或机组出力之前，应该将现在的电站地址特征与几十年前所确定的最初状况进行比较。明智之举是重新确定现在的运行状况，包括以下几点：

为了最经济的总体布局，系统是否需要改变以考虑到发电机设计的改版（如功率因数、短路比、电抗等）。在不超过允许洪水位和/或流量波动情况下，是否能在峰值基荷下发电；原始水力条件（适用于基准年的规划流量、和/或库容和水头）与目前的情况是否一致；现有压力钢管及尾水管（或尾水道）可否允许增加流量；系统要求是否已经改变，从非峰值的低出力发电是否能转换到峰值时的高出力发电；是否可能或有必要增加蓄水高度，以提高增加出力水轮机的防洪保护水平。

结语

对老水电站的增容改造推动了水电设备制造行业的技术进步，能给电力行业带来可观的经济效益，缓解电能紧张的局面。

参考文献

[1] 傅永泉，成德明.水轮发电机增容改造技术探讨[J].浙江水利水电专科学校学报，2003，01：47-50.

[2] 铎林.东方电机水轮发电机增容改造技术介绍[J].东方电机，2004，01：48-57.

[3] 张光蓉.水轮发电机增容改造中新技术的应用[J].东方电机，2012，06：74-81.

[4] 罗辰.水轮发电机增容改造的研究[J].农机化研究，2005，02：186-187.

[5] 刘国平.水轮发电机增容改造技术探讨[J].科技资讯，2007，24：62.