关于国产600MW发电机转子优化设计与应用
胡玉忠
（元宝山发电有限责任公司内蒙 内蒙 赤峰市 024070）
【摘 要】针对国产600MW发电机转子负序电流灼伤问题，经过反复研究发电机转子负序电流影响和损坏
原因，设计并合理采用针对性技术措施，确定了转子阻尼槽改造方案，改善转子端部槽楔涡流分布，提高转子抗负序损伤能力，达到设计标准。消除发电机转子存在的缺陷和不安全隐患，确保发电机转子经过优化设计改造后设备健康水平得到提高，为机组长期安全、稳定运行创造坚实的基础。
【关键词】负序电流 I22t 阻尼槽 涡流
0 前言
元宝山发电有限责任公司三号发电机组（600MW）是引进美国西屋公司技术国内生产的QFSN-600-2YN型优化汽轮发电机。1997年年底投产试运，1998年3月移交运行。1998年该机进行了第一次大修，1999年进行了第二次大修，2000年、2001年等#3机组历次大、小修中都进行各部位检查，发现并处理了一些重大缺陷和隐患，但发电机转子目前还存在急需解决的重大问题。如转子阻尼槽负序电流灼伤问题等。这些隐患的存在，已经不能保证机组的安全、稳定运行，所以对转子进行优化设计改造，已势在必行。
1 研究的目的意义
1.1 国内外研究现状
对于发电机不对称短路负序能力判断目前世界上各国仍沿用I2t，法国600MW发电机短时负序能力I2t≤8，300MW发电机负序能力I2t≤7，美国标准规定，在800MW以下机组短时负序能力I2t=10，我厂三号发电机引进的600MW技术完全照搬美国标准稳态8%，暂态10S，采用的阻尼方式适合接在60Hz电网上，不符合中国50Hz电网的运行状况，因为频率的不同，负序阻抗也不同，虽然I2t是个常数，但I2t所代表的加热功率却完全不同，它的增大必然导致负序能力的降低。此台发电机优化设计采用槽部气隙取气铣斜孔流入冷却方式，可以提高转子表面散热系数。但能否使负序能力达到10，还需要理论和实践方面的充分论证。 1.2 研究目的
我厂三号600MW发电机在运行短时间内，发现了转子阻尼槽楔两侧及槽壁结合处有严重的负序电流熔融现象，说明了发生严重不对称短路时由发电机负序能力值I2t=10太高造成的。由于设计值选择太高，延长了事故跳机和跳开磁场开关的时间，这样不仅失去了和发电机－变压器组其它保护期限的配合，更主要的是使被保护的设备造成严重的损坏，事故范围扩大。此机组承担我厂主要的发电任务，是东北电网的重要发电设备之一，肩负着区域电网安全和地方经济稳定发展的重要使命。
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保证机组稳定运行，避免设备损坏事故的发生尤为重要。
2 研究思路与方法
随着单机容量的增大，定子负荷急剧增加，同一标准电流在转子直径轴上感应电流密度随之骤增，因而大电机与热相关的短时负序能力必然降低。这种能力的降低，有可能满足不了电力系统所必须的单相重合闸非全相运行的需要，在不对称突然短路事故中迫使负序及开关动作时间很短，因此要求大机组必须配备适当的阻尼系统，以改善转子端部槽楔处的涡流分布;选用最佳的冷却方式提高气隙气流速度，使转子表面散热系数提高，以提高短时负序能力。I2t是建立在计算倍频电流所经过路径即转子部件平均温度的基础上，制造厂和设计单位都可以从以下三方面进行估算短时负序能力的。
1）电磁场计算，求出定子负序磁场作用下产生的涡流分布，从而确定转子各部件损耗。 2）用试验或计算方法给出散热面的散热系数。
3）由温度场计算，求出有关部分的温度分布，从而确定负序能力值。
在兼顾热态下材料强度降低和护环热脱离本体使接触面烧熔前提下，降低发电机短时负序能力I2t值。因本台机为无刷励磁结构，灭磁时间为9.33S，由于原理限制，缩短灭磁时间可能性不大；另一方面，转子本体材质和通风结构的改变也很难实现。所以侧重研究工艺结构因素引起的接触电阻不同的分布情况，在运行故障状态下计算分析引起破坏的最热点温度是很复杂的过程，通过对转子#1至#4阻尼槽楔、槽壁及阻尼条被负序电流严重灼伤的原因分析，发电机转子局部阻尼槽楔、阻尼槽加工质量、装配工艺不良，判断此台转子抗负序能力低，没有达到设计值。所以转子阻尼槽改造是此次转子优化设计应用的核心内容。在原设计的基础上，减少转子倍频电流流通路径中的等价电阻，改善转子端部槽楔涡流分布。提高转子负序能力。
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3 研究材料与方法
本台机转子负序能力值设计选择过大的客观原因是基于发电机转轴系由原苏联进口的，其牌号为30Crmov(新600MW机组转子牌号为26Cr2Ni4mov),阻尼结构槽端部采用铍铜槽楔，嵌线槽铝槽楔间用合金铝块搭接（搭接块表面镀银），构成阻尼系统大齿阻尼槽楔用非磁性钢槽楔，楔下设与转子等长的阻尼铜条。在此次改造过程中，对阻尼槽楔配套加工后表面镀铜，以减小阻尼槽与阻尼槽楔的接触电阻，端头槽楔仍为铍铜材质，安装时为紧打槽楔工艺技术，这也是转子优化设计应用中的重要内容。
4 研究内容与结果分析
鉴于转子阻尼槽上的过热烧熔伤痕分布点多，而且熔痕较深，因此采用机加工扩槽方法将其彻底根除。
具体扩槽方案见附图。
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设计方案说明
1）由于过热烧熔伤痕基本分布在与槽楔的接触面上，且阻尼槽作用的好坏仅取决于此面，因此扩槽即指扩此面。由附图中可以看出，阻尼槽的宽和深保持不变，仅将与槽楔接触的45°角鸽尾斜面抬高1.03mm，并在略加大鸽尾宽度的同时将鸽尾高度降低了1mm，鸽尾宽度的加大使其与槽楔的接触面由6.32mm加大到9.08mm，无疑增加了可靠性。
2）扩槽后阻尼槽楔的形状随槽形改变，并将阻尼槽楔的上部去掉，减薄阻尼槽楔的厚度，这将改善鸽尾面的配合状态，同时使阻尼铜条分流更多的电流。端头阻尼槽楔亦随槽形改变，而且与护环止口的配合面重新加工。
3）本扩槽方案的尺寸调整量很小，而原转子本体齿头应力较低（线圈端头槽楔处197MPa、仅为屈服强度的30%），而且在加大鸽尾宽度的同时降低了高度，因而齿头厚度也略有增加，齿头应力和齿头厚度的平方成正比，机械强度上是安全的。虽然槽楔略加宽，但钢槽楔的上部又去掉一块，
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离心力与半径的平方成正比，可以认为基本持平，最重要的一点是阻尼槽内的重量比线圈槽内的重量少。
4）改造方案的配套措施
⑴ 严格控制和检查槽楔的加工质量，增加对鸽尾宽度和角度的检查，宽度按附图中的标注，角度用样板检查。
⑵ 阻尼槽楔加工后表面镀铜，以减小阻尼槽与阻尼槽楔的接触电阻。
以上设计方案的制定彻底根除转子本体阻尼槽上（与槽楔的接触面）由负序电流引起的过热烧熔伤痕，恢复发电机应有的负序承载能力，以确保发电机安全可靠运行。
5 关键技术与创新
在原设计的基础上，设计并合理采用针对性技术措施，对转子阻尼槽进行优化设计改造，减少转子倍频电流流通路径中的等价电阻，改善转子端部槽楔涡流分布，提高转子负序能力，满足发电企业的实际要求，保证了设备的可靠运行。在发电机组的生产、检修、维护中对改善转子负序能力方面提供宝贵的借鉴经验。
6 转换应用情况
6.1 发电机转子优化设计的实施
主要工作内容：
（1）进行了转子改造前的相关试验后，将转子两端护环用感应加热至270℃左右拔下汽、励两侧互环；
（2）退下转子阻尼槽楔；抬出阻尼条；
（3）对阻尼槽及槽楔进行加工，阻尼槽的宽和深保持不变，将与槽楔接触的45度角鸽尾槽斜面抬高1.03mm，并在略加大鸽尾宽度的同时将鸽尾高度降低了1mm，鸽尾宽度的加大使其与槽楔的接触面由6.32mm加大到9.08mm；
（4）阻尼条回装，端部槽楔表面镀银，阻尼槽楔表面镀铜，回打槽楔；回装护环； （5）发电机转子性能指标
转子绕组绝缘电阻测定：500MΩ，（500V兆欧计、绕组温度28℃、静止状态） 转子绕组冷态直流电阻测定：0.0812Ω，（绕组温度28℃）
转子绕组交流阻抗测定：超速前电压220V，静止时：5.38Ω，3000r/min时：4.56Ω 超速后电压220V，静止时：5.51Ω，3000r/min时：4.60Ω 转子动平衡测定：
转 速 3000r/min
汽轮机端振动（ μm）
水平 10
垂直 3
∠45° 11
∠135° 4
水平 3
励磁机端振动值（μm） 垂直 4
∠45° 6
∠135°
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转子超速试验：绕组在冷态状态下，转速3450r/min，2min 试验结果：合格
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转子绕组耐压试验：（交流50Hz）转子绕组对地4290V，1min，状态：静止 试验结果：合格 转子通风试验：试验结果：合格
上述试验表明发电机转子优化改造的加工与装配质量满足设计要求，经检验符合技术标准：OEA.140.696 。 6.2 结论
经过对国产600MW发电机转子优化设计改造，降低发电机短时负序能力I2t值，提高转子负序能力，满足发电企业的实际要求，避免了发电设备重大损坏事故的发生，保证了设备的可靠运行。对发电设备的检修、维护积累了宝贵的经验。具有较高的经济和社会效益。
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参考文献：
[1] GB7064-2002《透平型同步电机技术要求》 [2] GB755-2000《旋转电机定额和性能》
[3] GB／T7409.1—7409.3—1997 同步电机励磁系统 [4] 国电发[1999]579号 汽轮发电机运行规程
作者简介：
胡玉忠 职称：工程师 从事专业：电气检修
工作单位：元宝山发电有限责任公司电气检修分公司 地址：内蒙 赤峰市 元宝山发电有限责任公司 邮编：024070
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