秦山核電30萬千瓦級機組主發電機端部發熱改進措施淺析

李 楊，沈衛玲，韓 亮，程義巖，陳富杰，馮勇勝，汪運律，郭桐岳

(中核核電運行管理有限公司,浙江 海鹽 314300)

秦山核電1號機組發電機是上海汽輪發電機公司生產的310 MW雙水內冷型發電機，即采用水—水—空的冷卻方式，發電機的定子繞組和轉子繞組采用水內冷，定子鐵芯及端部結構件采用空氣冷卻，型號為QFS-310-2，其設計壽命為30年。該發電機在2007年進行了定子局部改造，改造主要解決了發電機端部壓圈冷卻水銅管漏水隱患，在改造的同時發電機有功功率從原來的310 MW擴容到330 MW。2007年主發電機改造后，在機組運行期間，維修人員通過對發電機周檢以及現場巡檢，發現發電機端部溫度存在偏高現象，尤其是在勵端端部發熱現象比較明顯(見圖1)，最高溫升可達100 ℃，顯然不利于發電機的安全穩定運行，必須采取措施解決端部過熱，以保證發電機組運行的可靠性。

圖1 紅外熱像

1 發電機端部發熱原因分析

1.1 原理分析

發電機在正常運行期間，定子繞組端部會產生一定的漏磁現象，這勢必會造成定子端部空間漏磁的冗聚，定子端部區域寄生的漏磁通一方面會在端部各金屬結構件中感應出渦流，引起結構件發熱；另一方面會使端部導磁屏蔽和邊段鐵心出現磁飽和現象，如果控制不好，可能會對發電機的振動、損耗、溫升等帶來一系列影響，嚴重時會引起發電機絕緣老化、鐵心松動和非正常停機的發生。當轉子以3000 r/min旋轉時,端部空間各處的磁場也隨之旋轉,定子端部各金屬結構件因相對運動而切割磁力線,并產生感應電勢,該感應電勢的方向與磁感應強度的方向垂直,因此也有軸向、徑向等多種方向。發電機大端蓋上必然也產生軸向的感應電勢,該方向的感應電勢將形成從端蓋到發電機本體機殼、底部機座再到端蓋的一個電流環路，經過的漏磁電流必定會引起端部結構件發熱，因此從原理上可以判斷端部漏磁帶來的發熱是引起發電機端部過熱的重要原因之一。

1.2 結構分析

1)本體結構：轉子線圈汽端端部軸向長達523 mm,勵端端部軸向長達523 mm,最長轉子線圈軸向長達6446 mm,超出鐵芯有效長度1186 mm,轉子線圈兩端端部(大小護環)完全處于定子鐵心外部,轉子本體產生的磁場沿壁隙和定子鐵心構成主磁通回路,但轉子端部漏磁通則通過端部空間至機座端蓋形成回路，因此雙水內冷發電機固有結構特點勢必會造成端部漏磁場的形成，從而影響端部構件發熱。

2)端部銅屏蔽結構：發電機定子端部的材質和結構尺寸也是影響結構件發熱的重要因素，其中結構件中的銅屏蔽、磁屏蔽是保護壓圈和端部鐵心免受漏磁通引發的局部發熱而采用的主要部件。銅屏蔽是由10 mm厚的銅板構成，結構上與壓圈接觸良好。在發電機運行時，定轉子繞組在發電機端部產生交變的感應磁場，銅屏蔽在此磁場下會產生渦流來阻礙磁場的透入。電磁場在導體中的穿透深度是磁場頻率、導體磁導率和電導率的函數。用解析公式(1)估算磁場的透入深度。

(1)

式中：δ——透入深度；

f——磁場頻度；

μ——絕對磁導率；

σ——電導率。

銅的電導率為57.7×106s/m，根據公式估算透入深度約為9.375 mm。由于銅屏蔽厚度大于磁場的透入深度，所以在理論上銅屏蔽可以有效屏蔽外部磁場，在整個端部結構中起到十分重要的作用，而我廠采用的厚度為15 mm的銅板壓制而成。

3)銅屏蔽損耗：發電機端部結構中，除壓圈為一純機械構件，銅屏蔽和磁屏蔽均為邊端區域的磁通控制構件。通過有限元計算，建立發電機端部三維渦流場的數學模型，采用二維或者三維磁場相耦合的方法，加載定轉子鐵心端部壓圈、壓指、磁屏蔽、銅屏蔽等有效負荷，從而求得端部區域磁場、渦流和損耗。定子鐵心端部溫度隨發電機的運行工況而變化，即定子鐵心溫度與發電機的有功功率、無功功率等密切相關，計算結果如表1所示(發電機進風溫度按40 ℃計算)。

表1 330 MW發電機(定子端部壓圈外無銅屏蔽)典型工況下損耗和溫度

利用有限元的計算程序對QFS-330發電機定子端部(增加銅屏蔽后)的電磁場和溫度進行了計算，主要結果如表2所示。

表2 330 MW時發電機(定子端部壓圈增加銅屏蔽后)典型工況下損耗和溫度

雖然從理論上計算得出銅屏蔽可以有效地減少端部漏磁所帶來的發熱影響，但是從2007年改造增加銅屏蔽后，現場實際情況反映并沒有徹底解決發熱問題，反而在近年出現了端部溫度升高的情況。因此，加裝銅屏蔽后效果不佳也是影響發電機端部發熱的原因之一。

4)發電機通風結構：我廠雙水內冷發電機的定子鐵心和端部結構件及轉子表面是依靠空氣進行冷卻，冷風由裝在發電機軸上的風扇提供，與空冷器組成一個封閉的循環系統，采取兩邊進風，中部出風的方式。在2007年改造過程中發現，發電機內部風路的走向在端部位置還是存在“死角”，為此在發電機定子鐵心的汽端和勵端各裝氣隙擋風板，以加大端部鐵心的冷卻效果。所以發電機內部冷卻風路的走向和冷卻效果也是導致端部溫度發熱的原因之一。

1.3 運行工況分析

發電機的增容主要是通過增大發電機的線性尺寸和增加電磁負荷(即線負荷)兩種途徑實現，這樣就會增加線棒的損耗，從而導致端部漏磁的增加，造成定子端部空間漏磁進一步的冗聚。秦山核電30萬千瓦級機組在兩次增容改造中，必然會帶來定子電流增大、定子線負荷增加的情況。由于雙水內冷發電機的線負荷較高(約1702 A/cm)，隨著發電機單機容量增大時，一方面帶來發電機定子電流的增加，另一方面發電機內較高的電磁負荷會使電機端部漏磁增大，汽輪發電機端部漏磁場作為一種無用寄生場，將直接導致端部區域結構件渦流損耗增加，是引起發電機端部結構件局部過熱、產生破壞性電磁力的原因之一。

1.4 原因分析小結

綜上所述，發電機端部發熱主要原因：一是基于雙水內冷發電機固有的結構特點；二是基于發電機端部存在不可避免的漏磁場作用和發電機通風、端部結構特點；三是由于發電機增容后漏磁場的增加，三者共同作用引起端部結構件的發熱。

2 端部發熱改進措施

針對以上原因分析，在“對以上原年發電機定子局部改造”以及“發電機定年OLE項目常規島設備更新——發電機本體改造”中采取了相應改進措施來改善端部發熱狀況。理論上主要是通過減少端部漏磁以及減少渦流損耗兩種方式，其中對發電機端部結構的優化是減小端部漏磁和渦流最直接有效的方法，一般采取在端部加裝兩道磁屏蔽環、加裝銅屏蔽，以及壓圈采用特殊非磁性材料、端部結構改善、優化通風效果等方法來實現。

2.1 發電機端部結構概述

鐵心邊段階梯狀：將定子鐵心的端部疊成階梯狀，即定子邊段鐵心段設計有小階梯，在齒中間開有窄槽，主要是為了增大氣隙，以減少軸向漏磁通在端部鐵心中產生的損耗。定子鐵心為0.35 mm厚的高導磁、低損耗的DQ157-35方向性硅鋼片材料。端部結構件材料采用特殊非磁性材料壓圈和非磁性鍛鋼壓指，以降低壓圈、壓指自身損耗。機座和端蓋是由不同材料制作而成的，機座是鋼板制成的，端蓋是鑄鋁合金ZL2，在端部線圈和極間引線的漏磁場作用下，產生感應電動勢。機座鋼板為高導磁材料，而鋁制端蓋為低導磁材料，所以漏磁大部分是通過機座產生渦流損耗。為此，在機壁增加磁分路的結構，目的就是讓端部的漏磁從這里通過，達到降低端蓋溫度的效果。

2.2 增容至330 MW時改進措施

1)加裝銅屏蔽：將定子壓圈內原冷卻銅管拆除，在定子鐵心端部壓圈外加裝銅屏蔽，以減少漏磁進入定子壓圈。為防止銅屏蔽發熱，在損耗密度較大的內圓焊接冷卻銅管通水加強冷卻。

2)加裝外磁屏蔽：由于定子端部裝了銅屏蔽，漏磁就集中到機座上。為此在原來齒壓板旁邊磁屏蔽保留基礎上，在機座內加裝導磁性的外磁屏蔽，可降低機座外圓和端蓋等處的溫度，以保證機座導磁及溫度均勻。

3)加裝擋風板：在發電機定子鐵心的汽端和勵端端部各裝氣隙擋風板，以加大端部鐵心的冷卻效果，氣隙擋風板采用8 mm厚的耐高溫材料做成。采用氣隙擋風板后，能改變該風區進風的風速，使通風道內的動壓頭和靜壓頭分布合理，可使最高處溫升下降約15 K。

2.3 增容至350 MW時改進措施

1)壓圈與機座間等電位：在壓圈與機座間采用周向布置銅辮子實現兩者之間的短接，將壓圈與基座之間等電位，防止產生渦流發熱。

2)端部結構改善：改造前，發電機定子繞組端部一直采用支架、端箍、壓板式綁扎固定結構。改造后，定子繞組端部采取全新模塊化設計固定結構，包括壓板、徑向螺桿、錐環和擋膠墊塊等部分。通過采用定子繞組端部整體灌膠和絕緣盒灌膠設計，與改造前的端箍綁扎結構相比，極大提高了端部繞組防油、防塵、防異物和防電暈的能力。

3)風路優化：在勵端機座外壁上再增加4個直徑約70 mm的通風孔。通過計算，此時勵端支路的風量約增加22%，一方面氣體溫升會降低，另一方面，流量增加會強化勵端機座端部區域的換熱，表面換熱系數一般與流速的0.8次冪成正比，勵端機座端部的溫度約降低5 K左右，可基本實現勵端機座端部溫度不隨此次增容而進一步上升。

3 端部發熱處理效果

發電機經改造完成后，為了驗證改造后端部發熱效果，在發電機進行相關修后試驗及機組并網調試過程中對發電機端部溫度進行了觀察和記錄，分別在30%、50%、75%、100%功率平臺下，觀察汽側、勵側兩端端部溫度無異常變化，均保持在正常范圍內。在機組并網后的100%工況全功率運行中，通過有效統計，汽側、勵側兩端端部溫升較改造前降低約50%，取得了較為明顯的效果，與過往同期數據相比較，取得了較為明顯的效果。

4 結束語

通過此次OLE項目的改造，秦一廠30萬千瓦級機組主發電機機組狀況和性能得到了進一步提升和改造，也徹底解決了端部發熱問題。在改善方法上，不論是對發電機其制造工藝、通風設計、還是對定子繞組端部結構等都進行了優化改進，但發電機定子繞組端部的漏磁現象還是不可避免的，如果控制不好，還是會對發電機的振動、損耗、溫升等帶來一系列影響，造成發電機不能安全可靠地運行。因此，在以后機組正常運行期間，還是要對端部溫度加以監測和記錄，特別是要注意在發電機運行過程中是否還會出現溫度持續偏高的現象，以保證整個機組的安全可靠運行。