维普资讯 http://www.cqvip.com 第２９卷第３期 １８ 水电站机电技术 Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ Ｖ０Ｉ．２９ ＮＯ．３ ２００６年６月 Ｊｕｎｅ．２００６ 天堂抽水蓄能电厂发电电动机设计特点及运行情况 张伯超 （天堂抽水蓄能有限公司，湖北罗田４３８６００） 摘 要：介绍了蓄能机组发电电动机设计特点及结构性能，并就运行中出现的问题进行了分析处理。 ～关键词：天堂抽水蓄能电厂；发电电动机；结构；运行 中图分类号：ＴＶ７４３；ＴＭ３０３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７２—５３８７（２００６）０３—０Ｏ１８一Ｏ４ １ 概况 ２发电电动机性能 湖北罗田天堂抽水蓄能电厂安装有２台额定功 （１）发电电动机运行于发电工况时，在额定电 率为３５ ＭＷ（抽水工况为４４ ＭＷ）可逆式发电电动 压，额定转速，额定功率，额定功率因数下，其效率为 机，设计发电额定水头４３ ｒｎ，额定几何扬程４７ ｒｎ。 ９７．９８ 。 机组采用一洞二机的布置方式，由于下库为日调节 （２）发电电动机运行于电动工况时，在额定电 库容，所以一日以内最多可循环发电运行５ ｈ，抽水 压，额定转速，额定功率，额定功率因数下，其效率为 运行６ ｈ两次，且日平均开停机次数允许循环六次 ９８．２５ 。 （开、停一循环按一次计算）。年设计抽水用电量为 （３）发电电动机运行于发电工况时，且定子绕组 １．６亿ｋｗ・ｈ，年顶峰发电量为１．２５亿ｋＷ・ｈ。 接成正常工作接法时，在空载及额定电压下，线电压 电站在电网中的主要承担调峰、填谷的任务，同时具 波形的正弦性畸变率不超过５ ，在空载额定电压 有调相和系统事故备用功能。可逆式发电电动机基 和额定转速时，线电压的电话谐波因数（ＴＨＦ）不超 本参数见表１。 过１．５ 。 表１ （４）发电电动机在不对称的电力系统上运行时， 发电机工况 电动机工况 如任何一相的电流均不超过额定值，且其负序电流 分量与额定电流分量与额定电流之比不超过９ 型号 Ｓｓｖ６２３／３８一ｌ６Ｏ 额定功率 ３５ Ｍｗ／４ｏ ＭＶＡ ４４ ＭＷ 时，能长期运行。 额定电压 ｌ０．５ ｋＶ １０．５ ｋＶ （５）发电电动机在１．１倍额定线电压时不起晕， 额定功率因素 ０．８７５（滞后）０．９７（超前） 单个定子线棒在１．５倍线电压时不起晕。 额定频率 （６）发电电动机应能在飞逸转速下运转５ ｍｉｎ， 额定转速 而不发生有害变形。 飞逸转速 （７）发电电动机在事故条件下，应能承受１５０ 额定电流 定子额定电流，历时２ ｍｉｎ，而不发生有害变形。此 额定励磁电流 种情况每年不超过二次。 额定励磁电压 （８）发电电动机转子绕组能承受二倍额定励磁 绝缘等级别 电流，时间为５０ Ｓ。 极数 接法 （９）发电电动机各部分结构强度能承受电机在 相数 额定转速及端电压等于１０５ 额定电压，额定功率 励磁方式 旋转方向 收稿日期：２００６一Ｏ１—２３ 电动工况时起动方式 作者简介：张伯超（１９５５一），男，工程师，从事水电机电技术管理工 作。 ～维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期 张伯超：天堂抽水蓄能电厂发电电动机设计特点及运行情况 １９ 时，定子出口突然对称或不对称短路，历时３０ Ｓ，而 结构，从而使机座能得到最好的通风。 不发生有害变形。 （１０）正常开、停机时，应使用高压油减载装置， 允许在高压油减载装置故障时，不投入高压油减载 装置而开、停机。 （１１）发电机组设有机械和电气两套制动停机系 统。一般采用电气和机械联合制动停机方式，但也 允许单独采用电气或单独采用机械制动停机。 ３发电电动机设计结构及特点 发电电动机由克瓦纳杭发与ＥＬＩＮ公司设计， 无论是发电电动机电磁方案的确定，还是详细结构 的设计中，都充分考虑了各种因素，其中还包括历来 未重视的环保因素。在常规设计中引入了较先进的 设计技术：１）为削弱谐波分量，保证电势波形质量， 定子铁芯采用斜槽结构，转子磁极冲片极靴形状设 计成三段圆弧。２）由于发电电动机定子铁芯外径尺 寸较大，为降低电站厂房高度，使电机运行能更加平 稳，本机选用了推力轴承在转子下部的半伞式结构。 ３）为便于用户检修并顾及推力轴承的安全性，供推 力轴承油冷却用的冷却器布置在坑外，推力轴承润 滑油靠镜板泵的离心作用实现自循环。４）为使通风 系统具有风路简明，路径风量分布合理，发电电动机 定、转子的冷却采用机座外装设空气冷却器，空气冷 却器外再连接风机的双回路径轴混合通风系统。５） 为使刷架、制动器产生的尘埃不对定、转子造成污 染，提高发电电动机运行的可靠性并延长使用寿命， 本机采用档风装置把风路与制动器、刷架完全隔开 方式。并特地为刷架设计了特殊的通风元件及通风 回路，排气口加装了过滤层。６）为防止电机轴承油 槽内的油雾逸出，污染电机及环境，本机还设计了一 套特殊的油雾密封及排出、过滤装置。 ３．１ 定子 （１）定子机座分两瓣，在制造厂内组焊后加工而 成，合缝处通过合缝板、合缝螺栓把合成整体。两半 间定位采用合缝处定位销结构。工地把合后，复位、 整调，把合缝处两合缝板焊接成整体。机座具有足 够的刚度，能承受、传递由定子绕组、铁芯所引起的 各种力而不会产生损害和过瓶颈变形。机座与定子 基础板之间的连接采用径向键定位，轴向螺栓轻微 把合结构，所以铁芯能适应热膨胀，防止铁芯翘曲和 机座受力过大。机座壁设计成多边形，用于安装空 气冷却器，通过电机主，付引线。机座内部是构成电 机风路的一个重要部分，设计时我们采用了合理的 （２）定子铁芯由单位损耗小于１．１ ｗ／ｋｇ的０．５ ｍｍ厚的优质冷轧硅钢片５０ｗ２７０叠成，整圆分１９ 片，硅钢片经冲剪成形后，其双面经刷漆、烘干绝缘 处理。铁芯质量达到ＪＢ／ＤＱ３２３３—８７｛大型水轮机 发电机质量分等规定》中的优等品要求。铁心靠鸽 尾筋定位，整圆上共有３８根鸽尾筋，鸽尾筋在工地 安装时准确焊接在机座内立筋上。铁芯采用斜槽结 构，用拉紧螺杆、螺母、垫圈及碟形弹簧压紧，由于铁 芯拉紧螺杆、碟形弹簧具有合适的预紧力和拉伸量， 从而可防止机组运行后铁芯的松散。定子铁芯组装 在工地进行。 定子通风槽钢采用高６ ｍｍ的钢条，用通风槽 板上特殊设计的缺口定位后点焊牢，使通风槽钢能 被牢固地点焊在通风槽板上。由于采用了高６ ｍｍ 的通风槽钢，从而与传统的采用高１０ ｍｍ或８ ｍｍ 通风槽钢的定子铁心相比，具有更多径向通风道使 铁芯具有更加良好的通风性能，保证了定子绕组的 通风散热。定子齿压条由１Ｃｒｌ８Ｎｉ９Ｔｉ材料的型钢 加工而成，并经齿压板上特殊设计的缺口定位后点 焊牢，使齿压条能被牢固地点焊在齿压板上，由于齿 压条采用了不导磁的１Ｃｒｌ８Ｎｉ９Ｔｉ材料，从而大大 减弱了端部漏磁，减小了漏磁引起的附加损耗。 （３）定子绕组采用条式、双层结构。整个定子绕 组由奥地利Ｅｌｉｎ公司制造，并在其工厂内按合同作 了各项试验。线棒绝缘结构采用公司最先进的优质 结构，同样在工地进行定子嵌线连接。ＶＡＣＵ— ＢＡＮＤ高压绝缘系统和定子绕组的其他零部件，以 及线棒之间连接的绝缘零件都严格按Ｆ级绝缘等 级设计，其工作温度为１５５℃。按ＤＩＮ５３４５７规定 所做的纤维所得到的此种绝缘材料的温度与弹性变 形关系和承受扭应力性能表明，它具有非常好的机 械性能，极好的热稳定性，放电系数极少增加的优 点。 另按常规，线棒是靠槽楔预压紧的，这种方法会 在一段时间热机械运动后，导致槽中线棒松动绝缘 损坏。制造厂家开发了一个弹性充填系统，解决了 这一问题。此种系统具有良好的导电、导热性能，卓 越的机械性能，极高的热稳定性，永久的弹性。它与 树脂绝缘材料的完美结合，使它能适用于各种电机 绕组绝缘。 ３．２转子 （１）转轴材料采用高级优质锻钢４５ Ａ，经过锻 造、加工、探伤，厂内再半精加工、精加工及与水机轴 维普资讯 http://www.cqvip.com ２０ 水电站机电技术 第２９卷 同钻铰联轴孑Ｌ，校核摆度后而成。转轴不仅传递扭 矩并且也把轴向力传递给推力轴承。 （２）转子支架由轮毂、幅板、立筋、合缝板组焊后 加工而成。受运输尺寸的限制部分支臂处分断，支 架腿定位用切向键及轴向销来实现，支架与轴连接 用两对径向键来实现，支架的轴向定位用卡环来实 现，支架上下幅板间的空间为全封闭形式，有效防止 噪声源的产生，并减小了机组的风摩损耗。 （３）叠片磁轭整圆磁轭共３８极，由９张４极冲 片和１张２极冲片组成。制造厂家选用了一种受力 情况最佳的磁轭叠片方法，既保证了叠片磁轭的整 体性，强度和刚度，也增加了叠片磁轭的机械性能。 为保证工地拼装质量，备有一套预压紧工具及鸽尾 槽拉刀和磁轭键拉刀，以用于磁轭预压紧和磁轭压 紧后冲铣或拉铣键槽槽形。磁轭键不用传统的热打 键，而用电加热设备加热磁轭后直接放入。支撑架 也采用分半运输、工地组焊结构，支撑板与支架问设 有径向销，全圆共八颗。径向销的作用，首先可准确 定位，其次可传递制动过程中产生的扭矩，正常运行 时可减轻制动环与支架立筋连接螺栓的机械负荷。 （４）磁极共３８个，当磁轭叠片工作完成后，根据 转子平衡进行配重挂装以及阻尼环连接。 （５）上导滑转子由上导轴承套筒和滑转子经热 套后加工而成，两者之间有环氧玻璃坯布包压成的 绝缘层，使上导轴承与转轴间具有足够绝缘层等级。 此种设计具有结构简单，安全可靠的显著特点，能有 效、永久地防止电机轴电流的产生。其配合属过渡 配合，装拆方便。 ３．３ 下机架 下机架由钢板经切割、焊接、最终加工而成。下 机架油槽即推力轴承和下导轴承油槽。下机架由中 心体和六条合缝腿组成，使之便于运输。下机架腿 与中心体之间连接、定位靠螺栓和径向销来实现。 采用径向销结构后，使下机架中心体下沉量更小，推 力负荷主要由径向销从中心体传至腿上。下机架合 缝腿不拆而仅拆中心体就能从定子铁心内孑Ｌ吊出， 从而减少检修工作量。支架与机架间轴向靠止口定 位，径向靠螺栓把紧，周向用斜楔打紧。支墩与基础 板之间径向靠斜楔定位，使之能在径向自由伸延，从 而避免热膨胀引起机架中心体弯曲。 ３．４下导轴承 下导轴承由下导轴承瓦，轴承垫，楔形板，调油 杆，密封环组成。上、下密封环之间的空间构成了下 导轴承瓦的润滑油槽。轴承瓦与轴之间间隙靠移动 楔形板来调整，调整间隙后用双螺母锁紧。此结构 具有调整方便，间隙不会改变的突出优点。下导轴 承润滑油流量靠移动调油杆来调整，简便易行。整 个下导轴承共均布有１２块下导轴承瓦。 ３．５推力轴承 推力轴承由推力头，推力轴承瓦组，推力轴承座 环，挡油装置等组成。整个推力轴承共均布有１２个 推力瓦组。每个推力瓦组的厚度尺寸都在制造厂经 严格检测，并标有配对记号，一般装配后经检查即可 投入运行。推力头与轴用键及卡环定位。推力瓦的 定位则由弹性托块及布置在轴瓦内、外径处的定位 销来实现。弹性托块轴向具有一定的弹性压缩量， 从而加强了推力瓦负荷的自调能力，提高了推力轴 承的承载能力及可靠性与安全性。推力轴承润滑油 靠推力头上数只径向孑Ｌ的离心泵作用，抽出至机坑 外油冷却器处再经过滤管路至油槽内。外自循环冷 却系统使推力轴承油槽内没有了水源，从而既避免 了渗漏水导致烧瓦事故的产生，又便利了维护检修。 档油装置中与推力头相邻处是迷宫型密封结构，提 高了封油雾的可靠性。推力轴承座环及其与下机架 的连接螺栓均有足够的刚度与强度，可以承受最大 轴向力而不会产生过大下沉。 ３ ６ 上机架 上机架由钢板经切割、焊接、加工而成，整个机 架由中心体和六条腿组成，便于运输，腿与中心体之 间靠合缝板连接，便于拆卸运输。上机架结构设计 成只须整体拆下集电环，就可取出上导轴承瓦，大 大方便了上导轴承的检查、装拆。由于上机架受力 通过把合螺栓与定位销传给定子，然后再通过定子 机座传递给径向键，最终传递给基础板，因此机坑混 凝士只承受切向力及压力。 ３．７上导轴承 上导轴承由上导轴承瓦，楔形板，密封环，上、下 支撑环及轴承垫等零件组成。上、下密封之间的空 间构成了导轴承瓦的油槽。导瓦和轴之间间隙经轴 承垫调整垫片粗调后，导瓦间隙的细调靠调整楔形 板的高度来实现。油槽内不设油冷却装置。 ４发电电动机运行分析 电厂自２００１年５月正式投产以来至２００５年 底，已累计顶峰发电４．６２亿ｋＷ・ｈ，用电５．２１亿 ｋＷ・ｈ，平均转换效率０．８９；调峰发电开机５ ９１８ 次，填谷抽水开机３ ８６７次。单机平均发电运行 ７ ７７１ ｈ，抽水运行５ ９３６ ｈ。其间，电站经过多次检 维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期 张伯超：天堂抽水蓄能电厂发电电动机设计特点及运行情况 ２ｌ 查性维护，并就运行中发现的定子铁芯松动发热、油 雾污染、循环油冷却水阻塞、抽风电机故障率高、高 压减载装置管道漏油等问题进行了完善性的改造处 理。 力轴承油循环冷却水管道改造成双回路管道，并在 其主回路中加装一个精过滤器和两个阀门，运行时 冷却水经精过滤器进入油冷却器冷却，水堵塞时开 通旁路，关闭主回路阀门，打开精过滤器清污。这样 不但保证了推力轴承循环油冷却器不堵塞，还减少 了拆卸循环油冷却器清污的工作量，更保证了机组 的连续运行。 （１）定子铁芯松动发热故障的处理：２００１年ｌ２ 月，２号发电电动机投产后七个月，电机正在发电运 行时，运行人员突然发现电机温度升高，声音变异。 停机后经过详细检查，发现定子铁芯齿压条有个别 （４）发电电动机冷却器抽风电机故障率高：发电 松动的情况。再检查铁芯拉紧螺杆、螺母没发现松 动迹象，原认为安装时拉压不紧，重新拆卸用力矩扳 手以略高出设计值３６０ ｍｍ的力普紧一遍，经开机 试验在温度和声音上几乎没变。与制造厂家联系， 厂家很重视，领导带队，专家、设计人员全到现场与 我们会商讨论。讨论结果一致认为是铁芯叠片高度 稍差，拉紧螺杆拉力虽够，但其力作用在上压板的周 边螺栓上，而本身对铁芯的压紧程度不够。考虑无 法再加铁芯叠片，厂家主张在上压板下周边刨刮２ ～３ ｍｍ，我们提出在压板与齿压条之间加２～３ ｍｍ 的铁板，以解决铁芯高度不够问题。从简单方便、快 捷易行起见，厂家技术人员接受了我们的意见，按定 子圆周分块加工了３ ｍｍ的铁板，回装时仍以略高 出设计值３６０ Ｎ・ｍ的力拉紧，经试运行检验故障 消失。 ２００２年６月，１号发电电动机出现同样故障，仍 以同样的方法进行处理也得到了解决。 （２）油雾污染故障的处理：当发电电动机运行一 年左右，发现定、转子内部油雾污染严重。因电机设 计有一套抽油雾装置，经多次调小油槽进风口闸门 开度，效果仍没有较大好转。再经详细分析后，发现 上下油槽共用一台抽油雾风机，油槽进风口过多且 处自然进风状态，抽油雾管路过长，沉淀杯滤芯过 密，油雾风机与发电机停机时间同时等原因。于是 采取了加强进风限制，缩短抽油雾管路，换上密度很 低的沉淀杯滤芯，延长油雾风机停机时间等措施，轴 承内油雾外逸现象才有明显好转。 （３）推力轴承循环油冷却水管道改造：推力轴承 循环油冷却水水源引自于上游压力钢管，平时水质 较好，循环油冷却器冷却效果符合要求。但丰水季 节由于水质变差，浪渣增多，加之取水口过滤器网壁 与基座间存在间隙过大的原因，使循环油冷却器出 现堵塞现象，常影响机组连续运行。因此我们将推 电动机定子周边设计布置了６台水冷却器，水冷却 器外接有６台抽风电机形成双回路径轴混合通风系 统。由于发电电动机冷却器抽风电机长期在４０℃ 左右的环境温度下工作，所以轴承的工作温度则更 高，故大部分故障都是出在轴承损坏上。也有因轴 承温度高而使轴承润滑介质变稀渗出，流到电机定 子端部线圈上造成短路烧坏的情况。发电电机设计 规定运行中一台风机因故停运，电机就会事故停机， 而抢修一台抽风电机需１ ｈ左右，因此故障率高常 常影响机组运行，这是一个目前无法解决而又及待 解决的问题。因为现使用的是进口设备，采购周期 长、成本高，我们正拟用国产电机予以替换。 （５）高压减载装置管道漏油故障处理：高压主减 载装置是为机组启动和停机减轻镜板和推力瓦之间 的摩擦力而设计的，最高工作压力为１１．５ ＭＰａ，正 常工作压力６～１０ ＭＰａ。由于输油管道采用的是卡 套连接，又沿机墩布置支撑，故机组运行中的轻微振 动，常致管道接头松动而导致渗漏油。虽经常拉紧 接头，但过一段时间又需重紧，不但维护周期频繁且 造成油污。于是我们试将钢管连接改成高压软管连 接，使振动造成渗漏油问题得到解决。但又接着出 现新问题，高压软管质量不行，承受不了高压而连爆 两根。因此我们不得不仍旧采用钢管连接，这是唯 一次不成功的改造。 ５ 结语 总之，天堂抽水蓄能电厂两台Ｓｓｖ６２３／３８—１６０ 发电电动机，在主体设计制造上采用了先进技术和 较新颖的设备结构，除安装遗留下定子铁芯压紧程 度不够，引起定子温度升高外，几年的运行实践证 明，发电电动机本身达到了设计要求，得到了用户的 肯定。只是附属设备在实用上存在些小问题，有待 设计制造方面分析改进。