燈泡貫流式水輪發(fā)電機定子鐵心松動的原因及改造分析

朱何會，劉 玲，黃劍奎

（浙江富春江水電設備股份有限公司，杭州310013）

0 引言

某水電廠安裝有2臺進口于國際知名廠家生產(chǎn)的燈泡貫流式機組，投產(chǎn)于20世紀90年代后期，額定功率34.5 MW，額定電壓10.5 kV，額定功率因數(shù)0.92，額定轉(zhuǎn)速88.2 r/min。定子機座為方便運輸，在工廠分兩瓣制造，運輸至電站現(xiàn)場再用螺栓連接組合；分瓣定子鐵心在工廠疊裝，運到電站現(xiàn)場再與定子機架組合好，并進行圓度測量；定子繞組為整槽雙層波繞組，采用羅貝爾ROEBEL換位方式；線棒裝入定子槽后，在槽中采用硅橡膠進行固化處理；定子絕緣等級F級，轉(zhuǎn)子絕緣等級F級。發(fā)電機基本參數(shù)見表1。

表1 水輪發(fā)電機基本參數(shù)表

目前2臺發(fā)電機存在的最大問題是定子鐵心變形，從鐵心背面看存在波浪變形，波浪變形在發(fā)電機的鐵心分瓣結(jié)合處尤為明顯。由于定子鐵心變形導致定子壓指與鐵心沖片間多處出現(xiàn)空隙，鐵心松動。在2002年6月2#機由于鐵心松動損傷線棒絕緣導致發(fā)電機定子接地；在2006年8月1#機由于鐵心松動損傷線棒絕緣導致相間短路，使得發(fā)電機線棒、鐵心嚴重受損。

1 原因分析

1.1 電磁設計上的原因

1.1.1 定子鐵心斜槽結(jié)構(gòu)

燈泡式水輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)速低，定子鐵心內(nèi)徑小，定、轉(zhuǎn)子氣隙小，極數(shù)多，再加上為了滿足電力系統(tǒng)對某些電氣參數(shù)的要求，槽數(shù)又不能選得太多。因此，定子每極每相槽數(shù)q值較小，一般在1＜q＜3。當q值取整數(shù)槽或選取q＝bd+c＜7的分數(shù)槽繞組時，必須進行電壓波形的分析和計算。從數(shù)據(jù)參數(shù)表中可見，由于燈泡機結(jié)構(gòu)上的限制或因原制造廠的技術(shù)傳承，原制造廠在電磁設計時，定子槽數(shù)選取了306槽，即每極每相槽數(shù)q=bd+c=1+1/2。為了避免由此引起的定子電勢波形畸變，在電磁設計時廠家采取了改善電壓波形的措施之一，定子鐵心斜1/2槽距，即上、下游側(cè)槽傾斜32.085 mm。定子鐵心斜槽可以改善磁路，削弱高次電磁諧波，從而使發(fā)電機波形光滑，減小其噪聲和振動。定子斜槽雖然在很多燈泡機上應用且有不少成功業(yè)績，但其結(jié)構(gòu)上的不足還是切實存在的：

1）斜槽結(jié)構(gòu)的定位筋掛裝后理論上會產(chǎn)生雙曲線誤差，形成定位筋內(nèi)徑上、下游側(cè)大，中間小的現(xiàn)象；實際操作時，若工藝不到位，誤差將不可避免或更大；

2）斜槽結(jié)構(gòu)的定子鐵心壓緊較直槽結(jié)構(gòu)困難。直槽結(jié)構(gòu)的定子鐵心壓緊基本上是一軸向力；而斜槽結(jié)構(gòu)的定子鐵心在以鴿尾筋基準面軸向移動的同時還有一水平方向的移動，鐵心壓緊時，定子沖片除了承受軸向壓力外，還將承受斜定位筋的切向分力，使得沖片與定位筋的摩擦力增大，鐵心壓緊困難；

3）定子鐵心斜槽使下線后線棒與槽側(cè)面的間隙不均勻。本電站“線棒裝入定子槽，在槽中采用硅橡膠進行固化處理”應該是較好的解決了這個問題；

1.1.2 定子鐵心軛部較窄

定子鐵心槽深117 mm，軛寬為108 mm，軛部較窄，導致鐵心的整體剛性差，鐵心疊壓時壓不緊或壓力不均勻。

1.2 結(jié)構(gòu)設計上的原因

1）分瓣定子鐵心結(jié)構(gòu)。分瓣定子鐵心結(jié)構(gòu)，破壞了鐵心的整體性，使得鐵心的剛度，圓度變差。鐵心合縫處如果處理不當，將會引起局部振動，若定子剛性差，將會引發(fā)整個定子振動。

2）鴿尾筋與鐵心間預留熱膨脹間隙過小僅為0.5 mm；鐵心熱膨脹產(chǎn)生的內(nèi)應力受阻易引起定子沖片發(fā)生軸向翹曲變形，最終發(fā)生鐵心松動、振動、噪聲造成線棒絕緣磨損、燒壞鐵心等各種事故危害，影響機組正常運行。

3）定子拉緊螺桿數(shù)量偏少。定子單張沖片為17槽，弦長約1 170 mm，導致圓周方向拉緊螺桿偏少，僅為72根，比同類型機組數(shù)量少約1/3。

4）定子拉緊螺桿直徑為M24偏小，同類型機組一般為M36或更大。

5）由于鐵心齒較寬，為45.47 mm，每齒上設置兩根通風槽鋼；而齒壓板上的壓指設置成和通風槽鋼一一對應，即一個齒上兩根壓指，致使壓指有軸向高度而無周向?qū)挾?，剛性差，易失穩(wěn)。

6）定子繞組端部未設置端箍固定。端箍的作用在于當發(fā)電機突發(fā)短路時，端箍可以承受繞組端部的徑向作用力，以防止該力對繞組端部造成的變形及破壞。

綜上所述，我們認為造成某電廠發(fā)電機定子鐵心松動的原因有以下幾點：

1）由于定子斜槽結(jié)構(gòu)，在鐵心最初疊壓時鐵心不能真正壓緊或壓緊力不均勻；

2）定子鐵心分瓣破壞了鐵心的整體性、定子鐵心軛部過窄，鐵心背部拉緊螺桿偏少、直徑偏?。粔褐竸傂圆畹葘е露ㄗ予F心整體剛性太差以致最初鐵心疊壓時根本無法壓緊；

3）定子鐵心鴿尾筋與機座間預留熱膨脹間隙過小。之后，機組運行產(chǎn)生的鐵損和線圈的銅損使鐵心溫度上升發(fā)生熱膨脹，與常規(guī)立式水輪發(fā)電機相比，其散條件非常惡劣，而且因貫流機組運行時浸泡在水中，機座壁與鐵心之間溫差大，定子鐵心鴿尾筋與機座間預留熱膨脹間隙過小，導致鐵心熱膨脹后產(chǎn)生的內(nèi)應力在徑向受阻，鐵心只能軸向膨脹，從而致使鐵心波浪扭曲變形以致松動。

由于定子鐵心變形松動導致多處壓指出現(xiàn)間隙；發(fā)電機的起動停止及負載的不斷變化使鐵心的溫度高低發(fā)生變化，鐵心在徑向方向上反復的熱脹冷縮導致鐵心波浪扭曲變形加劇，也導致鐵心壓緊力慢慢的降低，在鐵心壓緊力反復降低的過程中，使本就疊壓不緊的鐵心松動逐漸加劇，鐵心的磁振動也隨著增大。隨著鐵心振動的增加，進而造成定子鐵心局部變形更突出，這些反過來加大了不平衡磁拉力，從而進一步加劇了定子鐵心的破壞。最終破壞定子槽內(nèi)線棒絕緣，導致更大的安全事故發(fā)生。

2 改造分析

針對上述問題和原因，建議重新設計制造定子，以杜絕由鐵心松動而引起的一系列不安全隱患，改進措施如下：

1）加大定子鐵心外徑，即增大鐵心軛寬，從而提高鐵心整體剛度。

2）合理選擇單張沖片上的槽數(shù)即減小每張沖片弦長，從而增加整圓拉緊螺桿數(shù)量，并加大拉緊螺桿直徑。

3）增加每根線棒股線數(shù)，以減小定子電流密度；增加線棒股線絕緣厚度，并適當加強線棒防暈層厚。

4）為適應運輸條件定子機座可以采用分瓣結(jié)構(gòu)，但合縫面用大法蘭螺栓把合，現(xiàn)場封水焊，以增加機座剛性；不采用定子鐵心分瓣結(jié)構(gòu)，采用常規(guī)現(xiàn)場整圓疊片結(jié)構(gòu)取消合縫，以提升鐵心的整體性，進而提高鐵心的剛度，圓度，避免鐵心分瓣合縫處引起的局部振動。

5）設計確定合適的鐵心與機座之間的間隙。

3 結(jié)論

燈泡式水輪發(fā)電機由于在電磁設計及結(jié)構(gòu)設計上受到諸多限制，使得其運行環(huán)境必須優(yōu)于一般常規(guī)立式水輪發(fā)電機。因此，在徹底改造本機組設計制造的先天缺陷的同時，還應對機組的運行工況，運行環(huán)境進行有效改善，從而確保機組長期安全穩(wěn)定運行。

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