水輪發(fā)電機定子線圈腐蝕原因分析

徐 俊 紅

（哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040）

1 概述

在水輪發(fā)電機中，轉(zhuǎn)子磁極通入直流電流后，在原動力的作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，定子線圈切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。因此定子線圈（定子繞組）是發(fā)電機心臟部分。然而長期的運行經(jīng)驗和發(fā)電機定子繞組事故現(xiàn)象表明，發(fā)電機定子線圈的腐蝕損壞現(xiàn)象已相當普遍，嚴重地影響了發(fā)電機的安全運行和使用壽命。引起發(fā)電機定子繞組事故的最普遍原因是定子鐵心、槽楔、墊塊、墊條松動，定子繞組端部綁繩松動斷裂，致使線圈在運行中產(chǎn)生振動，造成主絕緣磨損腐蝕被擊穿。

2 電機定子線圈腐蝕的特點及部位

從高壓電機定子繞組線圈主絕緣擊穿的現(xiàn)象來看，線圈主絕緣的腐蝕損壞大致可分為兩類：一類是從線圈外部主絕緣開始向內(nèi)的腐蝕損壞，通常稱為外腐蝕；另一類是從線圈內(nèi)部絕緣開始向外的腐蝕，通常稱為內(nèi)腐蝕。

2.1 線圈主絕緣外腐蝕損壞

發(fā)電機定子繞組端部和定子鐵心內(nèi)線圈振動，使線圈主絕緣腐蝕損壞。這是外腐蝕損壞事故中最為普遍也最為嚴重的現(xiàn)象。造成這種腐蝕損壞的主要原因是，發(fā)電機在運行中，因其端部繞組在電磁力的作用下產(chǎn)生振動，致使線圈在定子鐵心槽內(nèi)端部固定不牢，發(fā)生槽楔、線圈層間墊條、端部間隔墊塊和綁繩松動脫落，線圈與綁繩及間隔墊塊之間出現(xiàn)摩擦，防暈半導(dǎo)體漆破壞發(fā)生電暈腐蝕，從而造成槽部和端部線圈主絕緣擊穿。

定子鐵心內(nèi)部磁性物質(zhì)的磨損腐蝕。這種情況主要是由于定子繞組線圈嵌入前及檢修過程中沒有認真清理、吹掃定子繞組，導(dǎo)致繞組線圈縫隙及其他死角處遺留了一些微小的磁性雜物，在電機運行時磁性雜物被吸附在線圈主絕緣表面，在電磁感應(yīng)及電磁力的作用下，磁性雜物呈旋轉(zhuǎn)方式運動，將線圈主絕緣磨鉆出坑洞。

定子鐵心硅鋼片對絕緣的磨損腐蝕。在裝壓定子鐵心的過程中，如果硅鋼片疊片不整齊，或者定子鐵心通風槽鋼及端部壓指壓裝固定不良，或者在檢修中損傷了定子鐵心，都會造成電機運行時發(fā)生振動，磨損絕緣，最終導(dǎo)致線圈的主絕緣被擊穿。

2.2 線圈內(nèi)腐蝕

多次事故統(tǒng)計和故障線圈解剖的結(jié)果表明，線圈的內(nèi)腐蝕也比較嚴重。對大量內(nèi)腐蝕線圈的解剖分析表明，內(nèi)腐蝕一般都是從絕緣與導(dǎo)線間的氣隙氣泡、線圈直線與端部的R角、線圈引出線假線焊接等部位開始的。內(nèi)腐蝕現(xiàn)象首先是線圈內(nèi)部絕緣變白并逐步擴大，隨后燒損絕緣形成坑洞并積有大量綠色粉末，從而加速導(dǎo)線股間及主絕緣的腐蝕損壞，直至主絕緣擊穿。另外，溫度過高導(dǎo)致的熱老化也是造成內(nèi)腐蝕的一個重要因素。

3 線圈發(fā)生內(nèi)、外腐蝕的原因分析

電機定子線圈發(fā)生內(nèi)、外腐蝕的原因，主要是由于線圈主絕緣在電機運行中，長期在電磁振動、高溫度和高電壓3種因素的作用下而遭到振動磨損、電暈腐蝕及絕緣熱老化，使線圈整體絕緣出現(xiàn)脫殼、分層、燒灼、磨損和絕緣強度降低等現(xiàn)象，最終造成絕緣擊穿故障。

3.1 電磁振動磨損腐蝕

電機在運行中產(chǎn)生的各種機械振動，都會磨損腐蝕線圈絕緣，其中最主要的是電磁振動對電機端部繞組及槽口的影響。如果定子鐵心壓裝質(zhì)量不好，繞組端部綁扎工藝不良，使線圈在槽內(nèi)因固定不良而產(chǎn)生幅值很大的振動，層間墊條和測溫元件墊條就會在上下層線圈之間來回竄動而磨損上下層線圈，使線圈主絕緣受損。更嚴重的是，如果線圈運行中導(dǎo)線通過的電流產(chǎn)生2倍頻電磁振動力，則不僅會使線圈與鐵心及繞組端部間隔墊塊發(fā)生振動，使主絕緣表面磨損，而且還會使導(dǎo)線與主絕緣之間，導(dǎo)線的匝間、股間產(chǎn)生摩擦振動，造成導(dǎo)線的匝間、股間松散、短路、斷股。同時，在短路部位產(chǎn)生附加損耗與溫升，會加速局部主絕緣老化，降低絕緣強度，甚至在正常工作電壓下也會造成絕緣擊穿故障。因此，電磁振動是造成線圈主絕緣外腐蝕和內(nèi)腐蝕損壞的主要原因。

3.2 電暈腐蝕

電機運行中，線圈絕緣承受著較高的電場強度，如果絕緣表面防暈層與定子鐵心接觸不良，線圈在槽內(nèi)發(fā)生振動就會磨損絕緣表面防暈層。此時，絕緣表面對鐵心就有較高的電位，在磨損部位產(chǎn)生電暈放電，造成局部瞬時高溫，將線圈主絕緣及其他附屬絕緣材料燒灼、燒焦。電暈放電還能產(chǎn)生破壞力較強的化學反應(yīng)，嚴重腐蝕絕緣和線圈導(dǎo)線，所以內(nèi)腐蝕嚴重的部位都集有大量綠色粉末。另外，繞組端部防暈處理不好，會造成電容電流過大，引起定子端部繞組發(fā)熱，加速端部繞組絕緣熱老化腐蝕。

4 防止定子線圈腐蝕的幾點建議

（1）線圈股線采用雙滌綸玻璃絲包燒結(jié)銅扁線，在包扎對地絕緣前，為使導(dǎo)線排間整齊，提高線圈剛度，消除匝間和股間間隙，防止在工作電壓下產(chǎn)生內(nèi)部空氣游離，對線圈股間、匝間熱模壓膠化。每根線圈經(jīng)特殊換位編織而成，以減小由于端部漏磁場而引起的附加損耗及降低繞組股線溫差。

（2）提高定子線圈絕緣材料電氣、機械、耐熱性能。目前定子線圈采用F級桐馬環(huán)氧玻璃粉云母帶的連續(xù)包扎作為對地絕緣，并采用熱模壓固化成型工藝，絕緣等級為F級。F級桐馬環(huán)氧玻璃粉云母帶以環(huán)氧樹脂膠粘劑粘合粉云母紙，雙面以電工無堿玻璃布為補強，經(jīng)烘焙加工而成，具有較高的電氣、力學性能，耐熱等級為F級，適用大型高壓電機繞組的主絕緣及其他電機、電器絕緣。

（3） 定子線圈防暈結(jié)構(gòu)采用半導(dǎo)體覆蓋層。槽內(nèi)采用低阻半導(dǎo)體漆覆蓋層，線圈直線與端部的R角采用高、低阻半導(dǎo)體漆覆蓋層雙層結(jié)構(gòu)。定子線圈采用此防暈結(jié)構(gòu)，在1.5倍額定電壓下，單個定子線圈不產(chǎn)生電暈，整機在1.1倍額定線電壓下，無明顯暈帶和連續(xù)的金黃色亮點。

（4）對于6千伏以上的發(fā)電機需測定介質(zhì)損耗角的正切值，來判斷絕緣內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否有缺陷，介質(zhì)損耗角正切值限制在允許范圍內(nèi)，消除絕緣內(nèi)部電暈。

（5）定子繞組線圈嵌入前認真清理鐵心槽內(nèi)、吹掃定子繞組端部。端箍裝配過程中，特別是分半端箍焊接部位，焊后會產(chǎn)生焊瘤及焊渣、石棉布等遺留物，焊后須認真清理，尤其是鐵心上齒壓板表面、上齒壓板底部、及壓指與上層扇形片之間部位，避免繞組線圈縫隙及其他死角處遺留了一些微小的磁性雜物損傷線圈絕緣。

（6）確保定子鐵心疊片過程中槽形整齊，定子鐵心通風槽鋼及端部壓指壓裝固定牢固。鐵心疊片過程每疊一段，逐槽用整形棒整形；鐵心裝配結(jié)束后，然后沿槽全長逐槽整形一次， 用通槽棒逐槽進行檢查，直至通槽棒在每槽順利通過；鐵心疊片時分段壓緊，采用冷壓及熱壓工藝措施，可使鐵心單位壓力提高到1.5MPa左右，保證定子鐵心裝壓緊度。采用這種措施可保證在各種工況下，鐵心無可察覺到的蜂鳴聲，并在頻率為100Hz時，雙振幅量不大于0.03mm。

（7）定子線圈嵌入之前，在線圈槽部位置刷半導(dǎo)體防暈漆，使絕緣表面和鐵心具有同電位，該處的間隙短路，同時也使通風槽口電位均勻，降低軸向場強，以消除絕緣表面電暈；定子線圈采用加包半導(dǎo)體槽襯紙以保證線棒與鐵心良好接觸，降低槽電位，槽電位控制在5V以內(nèi)。根據(jù)定子鐵心每槽槽寬與線圈寬的差值即槽壁與線圈的間隙值確定包繞在線圈上的半導(dǎo)體槽襯紙層數(shù)(2，3，4層)，半導(dǎo)體槽襯紙層間涂刷半導(dǎo)體膠。目前水電大型機組如龍灘等，定子線圈采用半導(dǎo)體槽襯紙涂刷硅橡膠的工藝方法。硅橡膠固化前、后有一定的膨脹量，進一步保證線圈在嵌入槽底后，線棒與槽壁之間的間隙小于0.1mm，長度不大于100mm。

（8）嚴格執(zhí)行繞組端部的綁扎工藝。定向無堿玻璃絲帶經(jīng)脫蠟處理后，浸漬云母膠，用于繞組定子線圈端部綁扎。定子線圈端部綁扎過程中涂刷絕緣膠使之完全固化，以增加端部各部件的整體強度，提高端部抗振能力和抵御短路沖擊的能力；采用耐電暈適形材料浸漬絕緣膠填塞端部斜邊及固定件的間隙，以防止端部異相間及固定件電暈。

（9）避免槽楔裝配過程中損壞線圈絕緣。首先確定好楔下墊條厚度，逐槽實配，保證槽楔打緊后，線棒無松動。墊好楔下墊條，將主槽楔放在適當位置，副槽楔塞進主槽楔底下1/2～1/3，然后用打槽楔工具，將副槽楔打進槽中，槽楔端頭對齊。施工過程中采用銅錘作為敲打工具。并在其上加一層海綿和環(huán)氧板，厚度約2mm，這樣可以緩沖壓力，在一定程度上減輕對線棒的損壞。隨著工藝的逐漸改進，目前國內(nèi)水輪發(fā)電機 700MW 機組如龍灘、三峽等，槽楔裝配過程中在主、副槽楔之間加入波紋彈簧墊條，波紋彈簧墊條在主、副槽楔之間起到緩沖作用，既保證了槽楔打緊量，又避免了由于用力過大而損傷線圈絕緣情況發(fā)生。

（10）在電機檢修期間，應(yīng)對電機兩側(cè)做端部雙倍頻振動測試，對存在100Hz固有頻率的部位要重點進行綁扎處理，以消除端部固有頻率的振動。

（11）加裝發(fā)電機定子絕緣局部放電監(jiān)測儀，隨時監(jiān)測發(fā)電機定子絕緣的放電，為故障檢修及周期維護提供依據(jù)。