貫流式水輪發(fā)電機(jī)定子端部沖片逸出分析及對策研究

王國海

（水力發(fā)電設(shè)備國家重點實驗室，哈爾濱 150040）

貫流式水輪發(fā)電機(jī)定子端部沖片逸出分析及對策研究

王國海

（水力發(fā)電設(shè)備國家重點實驗室，哈爾濱 150040）

本文主要針對貫流式機(jī)組發(fā)生的因定子端部沖片逸出造成發(fā)電機(jī)故障，在現(xiàn)場分析及處理過程中所查找的原因以及處理措施等，進(jìn)行了全面的總結(jié)。對進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計、完善工藝、提高機(jī)組安全性、保證機(jī)組的穩(wěn)定運行，有著重要的指導(dǎo)意義和可借鑒作用。

貫流式水輪發(fā)電機(jī)；沖片；逸出

前言

近年來，隨著貫流式機(jī)組運行數(shù)量的增加，無論是國產(chǎn)或是進(jìn)口的機(jī)組，都先后發(fā)生過由于定子端部沖片竄動逸出，向內(nèi)徑方向移動的現(xiàn)象，造成了線棒絕緣損傷，引發(fā)定子短路停機(jī)的事故。由于類似事故的頻發(fā)，也使得越來越多的工程技術(shù)人員投入更多的精力去分析和研究其產(chǎn)生的機(jī)理和預(yù)防的措施。本文針對甘肅炳靈等電站貫流式機(jī)組發(fā)生的端部沖片逸出后造成的事故停機(jī)，根據(jù)現(xiàn)場分析及處理的經(jīng)驗，做一個簡要技術(shù)總結(jié)。

1 事故的形成

炳靈電站的機(jī)組一般都在運行半年或一、兩年之內(nèi)，發(fā)生定子線棒被逸出沖片割破的情況，由于線棒絕緣的損傷，引發(fā)定子短路和端部鐵心沖片燒毀的事故。絕緣的損壞是一個逐漸變化的過程，最初分析是否是由于端部電磁力的作用，使得沖片發(fā)生竄動。但經(jīng)計算分析，磁拉力對于沖片產(chǎn)生的力，相對于沖片壓緊后所產(chǎn)生的摩擦力之比小于千分之三，根本不會對沖片的竄動產(chǎn)生作用。那么是什么原因使得沖片發(fā)生竄動并逸出？經(jīng)過多臺次機(jī)組反復(fù)地檢測分析和計算，最終認(rèn)定，應(yīng)該是機(jī)組起停機(jī)時定子溫度存在冷熱變化，鐵心與機(jī)座之間存在較大溫差（實測溫差達(dá)30℃），使機(jī)座、鐵心的熱膨脹量、收縮量存在差值，即在機(jī)座與鐵心之間存在相對位移，相對位移時鐵心端片受摩擦力（如圖1所示）。當(dāng)因安裝、制造偏差因素使端片上下面摩擦力存在差值時，將會引起沖片相對的位移，在這種位移變化過程中，殘留下個別端部沖片的逸出，對線棒產(chǎn)生連續(xù)的割磨。具體的變化過程，可能會由于不同的條件和環(huán)境，變化量有所不同，但實質(zhì)的結(jié)果是相同的，量的積累達(dá)到一定的程度，則引起定子線棒的破壓和接地。

2 沖片竄動逸出的分析

影響沖片竄動的因素要從定子端部的具體結(jié)構(gòu)來看。一般對于轉(zhuǎn)速低的貫流式機(jī)組，定子沖片軛部徑向相對比較窄，因此，通常采用的是鐵心背部拉緊螺桿而不是穿心式螺桿。炳靈電站采用的就是可移動雙鴿尾定位筋、大齒壓板和鐵心背部拉緊螺桿的結(jié)構(gòu)（如圖2所示）。沖片疊裝后，在上下端部各配裝一組階梯沖片，再由齒壓板通過拉緊螺桿夾緊。

圖1 定子鐵心壓緊結(jié)構(gòu)及熱膨脹時受力狀態(tài)圖

圖2 可移動雙鴿尾定位筋結(jié)構(gòu)定子鐵心示意圖

2.1 沖片裝壓

對于任何機(jī)組，裝壓疊片的質(zhì)量直接影響機(jī)組運行的可靠性。而影響沖片裝壓質(zhì)量的因素很多，在機(jī)械配合方面包括各部件的加工精度、定位筋弦矩公差、下端齒壓板的平整度、端部階梯片的整體粘接控制、壓緊力大小、鐵心壓緊度的均勻性等等。因此要保證發(fā)電機(jī)定子鐵心的質(zhì)量優(yōu)良，就必須使這些因素都力爭達(dá)到一個較好的狀態(tài)，其實要做到這樣的狀態(tài)是比較困難的。既使所有的條件都趨于良好，但由于定子沖片整體壓緊時受定子高度的影響，鐵心下部的受力情況遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如上部，故炳靈電站機(jī)組首次出現(xiàn)端部沖片逸出時，最先考慮的是裝壓質(zhì)量不好，故采取重新按工藝疊裝。返修的1號機(jī)組嚴(yán)格地按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重新裝壓，但在運行兩年后，事實證明，仍然發(fā)生了沖片竄動逸出的情況。且?guī)缀跛袡C(jī)組沖片逸出都發(fā)生在定子的下游側(cè)，相反上游側(cè)幾乎沒有出現(xiàn)過沖片的逸出。這也說明，上游側(cè)在拉緊時受力情況最好。所以說沖片的裝壓質(zhì)量是影響逸出的一個重要因素。

2.2 端部結(jié)構(gòu)

定子端部通常采用階梯片結(jié)構(gòu)，每個階梯6mm，由12層0.5mm的片疊成，在工地安裝時粘接成整體，粘片總高每端18mm（如圖3所示）。

現(xiàn)場檢查端部沖片逸出，一般都是發(fā)生在與齒壓板結(jié)合部位的沖片，由于在熱膨脹力的作用下，沖片產(chǎn)生熱脹冷縮的變化，片與片間有很大的摩擦力相互作用，如果每一階梯的多層沖片粘結(jié)強(qiáng)度好，就會形成整塊粘結(jié)片的脹縮，沖片背部的鴿尾結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，會防止沖片的竄動。相反，如果粘結(jié)強(qiáng)度不好，就可能會使與齒壓片接觸部位的單個沖片脫離整體，鴿尾處產(chǎn)生翅曲變形，脫離鴿尾筋的限制，形成逸出。如此反復(fù)多次的竄動，逸出的沖片就造成了對線棒的割磨。因此，沖片間的膠粘和固化所起的作用很大。

圖3 端部粘接結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 定子鐵心熱應(yīng)力

貫流機(jī)組采用的是軸、徑向強(qiáng)制通風(fēng)冷卻的方式，鐵心冷卻不均勻，尤其下游側(cè)鐵心處于冷卻的末端，冷卻效果就更差，使下游側(cè)鐵心運行的溫度較上游側(cè)要高，熱變形量也相對大。在機(jī)組運行時，炳靈機(jī)組鐵心的正常溫度能達(dá)到75℃，由此引起的定子鐵心熱膨脹量約在1.5mm左右。機(jī)座正常溫度在45℃左右，較鐵心低30℃，機(jī)組起動過程中已在鐵心與機(jī)座之間存在熱膨脹差值，存在了相對位移；停機(jī)時，由于黃河上游流域水溫常年較低，年平均水溫約為12℃，在流道里的機(jī)座是整體浸泡在冷水里，機(jī)座的溫度較低，因此，機(jī)組降溫的速率高。同時，鐵心與機(jī)座冷卻過程既存在溫度差，也存在降溫速率的差異，造成了沖片與定子部件間的不同步滑移。如果冷熱的過程頻繁交替，就等于沖片始終處于熱脹冷縮的蠕變狀態(tài)中，如果沖片疊壓中存在隱患，就極易產(chǎn)生個別端部沖片的逸出。

2.4 運行工況

電站機(jī)組的運行受到諸多方面的影響，按照電網(wǎng)調(diào)度的指令，隨時可能進(jìn)行起停機(jī)，特別是一些承擔(dān)調(diào)峰的電站，機(jī)組的起停機(jī)工況非常頻繁。炳靈電站的機(jī)組運行工況就屬于超常規(guī)頻繁地起停機(jī)。根據(jù)電站提供的運行記錄，機(jī)組年平均起停100次以上，使鐵心長期處于頻繁的熱膨脹→冷收縮→熱膨脹→冷收縮……過程中，下游側(cè)定子端片相對機(jī)座上的齒壓片的反復(fù)運動，最終導(dǎo)致端部片的逸出。

3 現(xiàn)場處理措施

發(fā)生沖片竄動逸出后，根據(jù)現(xiàn)場的實際狀況采取如下措施。

（1）如果確認(rèn)是端片粘接和裝壓質(zhì)量引起的沖片逸出，可選擇重新粘結(jié)端部階梯片，先在制造廠內(nèi)（可提高粘片質(zhì)量的控制）將端部定子扇形片的每6片粘接壓制成整體，粘接方法按照相關(guān)工藝守則進(jìn)行，保證粘接牢固。在工地現(xiàn)場再將廠內(nèi)粘接好的每摞定子扇形片進(jìn)行疊裝并粘接，摞間交錯疊片，摞間使用“3543硅鋼片粘接膠”將相鄰的兩摞定子扇形片粘接牢固，粘接面積不小于80%，粘接時不可使用稀釋劑，使端部階梯定子扇形片粘接成為整體。重新裝壓時，還可在壓指與第一層端部沖片之間均勻涂一層二硫化鉬，以降低壓指與第一層定子扇形片之間的摩擦系數(shù)，進(jìn)而減小摩擦力。

（2）在每個定子壓指的端部安裝一個擋塊，用螺釘固定在定子齒壓片的端頭，如圖4所示，使用調(diào)整墊片使擋塊的安裝位置距離端部定子沖片的間隙小于0.5mm，必須嚴(yán)格控制此間隙，間隙過大可能會造成沖片逸出后產(chǎn)生翅曲，起不到阻擋的效果。然后，用涂抹樂泰膠243的螺栓將擋塊把緊，最后再將擋塊、螺釘和調(diào)整墊片焊牢。

采用加擋塊的辦法，要解決齒壓板鉆孔的問題，由于齒壓板材料采用的是高強(qiáng)度無磁性鋼，所鉆的螺孔尺寸小，加工難度相對較大。

圖4 擋塊安裝示意圖

（3）如果加擋塊的辦法現(xiàn)場難于操作，也可以采用另外一種辦法。即在每根下層線棒靠近鐵心出槽口位置處加“U”形鋼槽襯，槽襯的安裝位置，在使“U”形槽襯的出鐵心端長于鐵心端部10mm處的位置。其目的是保護(hù)線棒不受逸出沖片的割磨，但在槽內(nèi)加“U”形鋼槽襯，會增加一定的損耗和發(fā)熱，但其影響并不大。

具體操作是將“U”形不銹鋼墊條內(nèi)表面涂一薄層室溫硫化半導(dǎo)體硅橡膠HEC51104，扣入線棒出槽口位置，除去多余的硅橡膠并清理干凈。兩側(cè)包0.1mm×25mm的無堿玻璃纖維帶ET100-25，并繞二層，一邊包繞一邊涂刷HEC56102雙組份室溫固化膠，包繞后在包繞區(qū)域涂一遍HEC56611線性半導(dǎo)體低阻防電暈漆（如圖5所示），上下端采用相同方法處理，膠未固化前將線棒裝入槽內(nèi)并壓緊。

將所有加裝“U”形不銹鋼墊條的槽，在線棒裝入前，槽底墊一層2×24.2×1830半導(dǎo)體適形材料（槽楔打緊后，可壓縮至0.3～0.5mm厚）。

圖5 槽口加U形不銹鋼墊條

4 預(yù)防和技術(shù)改進(jìn)

除了現(xiàn)場采用維修的辦法外，在新機(jī)組制造時，也可以作一些適當(dāng)?shù)募夹g(shù)改進(jìn)。

（1）針對采用可移動雙鴿尾定位筋，大齒壓板和拉緊螺桿的結(jié)構(gòu)的機(jī)組，為增加對沖片逸出的限制，可將定子端部沖片及上、下第一段的基本沖片的鴿尾槽形式由原來開口鴿尾槽形式改為閉口槽形式。閉口鴿尾槽形式的定子扇形片在疊片時有些不方便，但是鴿尾筋對端部階梯段定子扇形片的限位受力能力提高2倍以上。

（2）同時還可以在定子鐵心端部的第一段沖片的軛部增加絕緣銷孔，包括端部的基本定子扇形片和階梯段定子扇形片。在進(jìn)行定子扇形片疊裝時，保證銷孔的疊裝公差小于0.3mm，銷孔內(nèi)裝入Φ19.7的絕緣銷，絕緣銷的材質(zhì)選用強(qiáng)度較高的“環(huán)氧層壓玻璃布棒3841”，以增強(qiáng)對端部定子扇形片的限位作用，保持鐵心整體性。第一段鐵心摞間粘接膠固化后，將絕緣銷涂刷室溫固化涂刷膠HEC56102后，裝入銷孔內(nèi)，保證安裝、粘接牢固。

（3）為防止端部沖片逸出，也可以改變兩端齒壓板的設(shè)計結(jié)構(gòu)形式，在齒壓片端部增設(shè)臺階，起到阻擋端部沖片因熱膨脹逸出的作用。這種形式的齒壓板，雖然結(jié)構(gòu)簡單，但會增加裝壓的難度，裝壓時，上、下齒壓板調(diào)整的工作量會大大地增加。

（4）采用浮動鐵心結(jié)構(gòu)，鐵心兩端用齒壓板通過穿心螺桿夾緊，再用螺栓將鐵心通過下游齒壓板與機(jī)座大齒壓板連接，保證連接螺栓預(yù)緊力小于穿心螺桿的預(yù)緊力，以保證冷熱變化時機(jī)座與鐵心之間可以自由滑動。

5 結(jié)束語

目前國內(nèi)貫流式機(jī)組制造技術(shù)，通過不斷地總結(jié)和改進(jìn)，正在日益趨向于成熟。哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司已經(jīng)形成系列化和標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)組設(shè)計和制造技術(shù)，針對不同的應(yīng)用環(huán)境和條件采用更為合理的結(jié)構(gòu)，將會大大地提高機(jī)組運行的安全和穩(wěn)定程度。

[1] 呂延春,等.水輪發(fā)電機(jī)定子硅鋼片徑向位移分析及處理[J].水電站機(jī)電技術(shù),2010,(1):8-11.

[2] 楊進(jìn),等.進(jìn)口大型燈泡貫流式發(fā)電機(jī)定子鐵心端片位移原因分析與處理[J].紅水河,2010,(2):69-71.

[3] 余恪三.大中型水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心與機(jī)座間熱膨脹間隙的計算方法[J].大電機(jī)技術(shù),1994,(2):5-7.

審稿人：孫玉田

TheAnalysis on an Escape of Punching Slice of Bulb Hydro-generator Stator End and the Research of Countermeasure

WANG Guohai
（State Key Laboratory of Hydro-power Equipment,Harbin 150040,China）

This paper summarizes comprehensively the causes and the measures taken during the site analysis and the treatment of the generator failure in regard to the punching slice escapes from the stator end.It has a great significance and reference to further improving the design,perfecting the technology,increasing the security and ensuring the stable operation of the unit.

bulb hydro-generator;punching slice;escape

TM311

B

1000-3983(2013)04-0001-03

2013-05-02

王國海（1955-），1982年畢業(yè)于華中工學(xué)院水力機(jī)械專業(yè)，現(xiàn)從事大型水力和火力發(fā)電設(shè)備、大中型電動機(jī)制造技術(shù)工作，研究員級高工。