發(fā)電機(jī)定子穿芯螺桿損壞原因分析及處理

徐剛

(華電四川寶珠寺水力發(fā)電廠，四川 廣元 628003)

0 引言

某水電站采用三相同步、臥軸燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)，定子鐵芯外徑為6 020 mm，其定子外徑為過(guò)流流道，即定子外徑直接和水流接觸。發(fā)電機(jī)采用密閉強(qiáng)迫自循環(huán)混合式通風(fēng)系統(tǒng)，為一次水循環(huán)冷卻方式。發(fā)電機(jī)定子機(jī)座采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，定子在制造廠內(nèi)疊片下線，整體運(yùn)輸。定子鐵芯采用0.5 mm厚的優(yōu)質(zhì)低損耗硅鋼片疊壓而成，采用絕緣穿心螺桿緊固。發(fā)電機(jī)主要參數(shù)：發(fā)電機(jī)型號(hào)，SFWG30-44/6020；額定電壓，10.5 kV；額定電流，1 968 A；額定轉(zhuǎn)速，136.4 r/min；極數(shù)(2 P)，44；相數(shù)，3；槽數(shù)，264。

1 故障情況

該電廠燈泡貫流式機(jī)組于2006年投產(chǎn)，至今未進(jìn)行過(guò)大修。2010年10月5日，#3機(jī)組運(yùn)行時(shí)報(bào)“發(fā)電機(jī)定子一點(diǎn)接地”后事故停機(jī)，運(yùn)行人員測(cè)發(fā)電機(jī)定子絕緣為零，立即做好安全措施后進(jìn)發(fā)電機(jī)內(nèi)檢查，在上、下游側(cè)定子擋風(fēng)板處發(fā)現(xiàn)若干碎銅塊，最大銅塊為40 mm×25 mm×8 mm(長(zhǎng)×寬×高)。在下游側(cè)定子外殼處發(fā)現(xiàn)有定子穿芯螺桿墊圈和絕緣墊塊脫落，可確認(rèn)有1根穿芯螺桿斷裂，1根定子穿芯螺桿墊圈和絕緣墊塊脫落(未發(fā)現(xiàn)螺母)。經(jīng)相關(guān)技術(shù)人員研究后將機(jī)組轉(zhuǎn)入大修。

10月20日將發(fā)電機(jī)定子吊出后，工作人員對(duì)定子132根穿芯螺桿絕緣進(jìn)行了測(cè)量(數(shù)字兆歐表3 125，測(cè)量電壓500 V)。穿芯螺桿對(duì)地絕緣電阻值低于合格值25 MΩ的共計(jì)32根，其中對(duì)地絕緣電阻值為零的21根。另外，發(fā)現(xiàn)定子鐵芯穿芯螺桿損壞8根，具體情況見(jiàn)表1。燒熔變形的螺桿及螺母如圖1所示(只選#194及#200螺桿)。

表1 定子鐵芯穿芯螺桿損壞情況統(tǒng)計(jì)

最初以為更換損壞的穿芯螺桿就能處理好，而要更換1根穿芯螺桿就不得不取出許多根定子上層及下層線棒，因此,共取下層線棒48根，上層線棒102根。在將#194及#200螺桿的定子穿芯螺桿周?chē)蠈蛹跋聦泳€棒取完后，發(fā)現(xiàn)定子鐵芯芯片因過(guò)熱而明顯變形，同時(shí)用內(nèi)窺鏡發(fā)現(xiàn)燒熔的熔化物堵塞鐵芯螺桿孔，無(wú)法清除。生產(chǎn)廠家人員到場(chǎng)后，判定定子鐵芯已嚴(yán)重受損，只有重新對(duì)定子鐵芯進(jìn)行疊片，隨后#3機(jī)組轉(zhuǎn)入擴(kuò)修。上定子鐵芯受損圖片及內(nèi)窺圖如圖2所示，可見(jiàn)這2槽芯片明顯向上彎曲。

2 原因分析

相關(guān)技術(shù)人員在對(duì)定子鐵芯處理的同時(shí)，分析了#3機(jī)組定子受損的原因，認(rèn)為主要集中在3個(gè)問(wèn)題上：為什么這么多根定子穿芯螺桿的絕緣為零，為什么有8根定子穿芯螺桿的螺母及墊塊變形、斷裂而脫落，定子穿芯螺桿為什么有4根燒熔。

圖1 燒熔變形的螺桿及螺母

圖2 定子鐵芯受損圖片及內(nèi)窺圖

對(duì)這3個(gè)問(wèn)題進(jìn)行梳理的同時(shí)也進(jìn)行了多項(xiàng)試驗(yàn)，包括對(duì)定子穿芯螺桿材質(zhì)的第三方檢測(cè)，穿芯螺桿兩端絕緣墊塊材質(zhì)的分析，定子穿芯螺桿的受力分析，定子穿芯螺桿振動(dòng)特性分析等。

(1)對(duì)定子穿芯螺桿和絕緣墊塊的材質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，均合格。在分析發(fā)電機(jī)定子工作環(huán)境時(shí)注意到：由于機(jī)組是燈泡貫流式機(jī)組，定子外殼直接和水流接觸，因此，定子內(nèi)部時(shí)有冷凝水產(chǎn)生，特別是在機(jī)組從運(yùn)行熱態(tài)轉(zhuǎn)為冷態(tài)之時(shí)，情況更為明顯；運(yùn)行中組合軸承的密封蓋在運(yùn)行中密封性變差，組合軸承的油霧有少許擴(kuò)散至發(fā)電機(jī)定子內(nèi)部。絕緣墊塊為酚醛材料，本身很易吸潮，長(zhǎng)時(shí)間吸潮后易使絕緣墊塊的絕緣性能大幅降低，造成多根定子穿芯螺桿的絕緣為零。

對(duì)其中1根絕緣為零的穿芯螺桿更換新的絕緣墊塊后進(jìn)行測(cè)量，絕緣值立即恢復(fù)正常，完全驗(yàn)證了上面分析的正確性。

(2)通過(guò)對(duì)定子穿芯螺桿進(jìn)行受力分析，確定其受力在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。在對(duì)電廠外接電力系統(tǒng)的詳細(xì)了解中得知：該電廠直接接入地方110 kV電網(wǎng)，而地方電網(wǎng)上有鐵路機(jī)車(chē)，還有許多小工廠和農(nóng)村負(fù)荷，很多時(shí)候定子工作在不平衡負(fù)載狀態(tài)。機(jī)組錄波圖中多次出現(xiàn)較大不平衡電流記錄也證明了這一點(diǎn)。不平衡電流在轉(zhuǎn)子磁極表面會(huì)產(chǎn)生負(fù)序電流，而負(fù)序電流相對(duì)定子電流頻率為100 Hz，因此使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生100 Hz的振動(dòng)，同時(shí)將振動(dòng)傳遞給定子使其也有同頻率的振動(dòng)。

在機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)和定子熱脹冷縮的共同影響下，部分螺桿的螺母逐漸松動(dòng)，使相應(yīng)定子穿芯螺桿慢慢變得無(wú)拉緊力。專(zhuān)業(yè)人員在分析穿芯振動(dòng)特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，在無(wú)拉緊力的情況下，定子穿芯螺桿的固有振動(dòng)頻率約為103 Hz，極易造成穿芯螺桿的共振。長(zhǎng)期接近共振使多根定子穿芯螺桿的螺母及墊塊斷裂和脫落。

(3)在定子穿芯螺桿接近共振工況時(shí)，個(gè)別定子穿芯螺桿的絕緣被鐵芯磨破。當(dāng)1根定子穿芯螺桿有2處絕緣被磨破時(shí)，就形成接地短路，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下會(huì)在這兩處間產(chǎn)生較大的感生電流(可達(dá)到800A左右)，這么大的短路電流使定子穿芯螺桿溫度達(dá)到1400℃而燒熔，此熱量傳遞到定子鐵芯片上，使定子鐵芯不均勻受損而變形。

3 處理措施

原因分析清楚后，在處理定子鐵芯時(shí)針對(duì)性地采取了如下措施：

(1)在定子上頂蓋內(nèi)裝了6組共9 kW的加熱器，當(dāng)機(jī)組停機(jī)后自動(dòng)投入加熱，在機(jī)組運(yùn)行后停止工作,防止發(fā)電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生冷凝水。

(2)對(duì)組合軸承的密封進(jìn)行改造，以減少運(yùn)行中油霧的產(chǎn)生。

(3)定子穿芯螺桿絕緣墊塊選用比原型號(hào)高一標(biāo)號(hào)的產(chǎn)品，以提高絕緣墊塊在惡劣工作環(huán)境中的絕緣能力。

(4)定子穿芯螺桿采用新材料，以提高其機(jī)械強(qiáng)度。

(5)在其光桿段包浸膠玻璃絲帶，然后在外面套絕緣套管，再在最外層包1層絕緣材料，共在螺母旋緊后刷上絕緣漆，使定子穿芯螺桿的整體絕緣性能大幅提高。

(6)因定子穿芯螺桿在鐵芯孔內(nèi)部新增3層絕緣材料，其和鐵芯接觸得很緊密，使定子穿芯螺桿的固有振動(dòng)頻率遠(yuǎn)離其共振頻率，也限制了定子穿芯螺桿的振幅，同時(shí)降低了定子穿芯螺桿在機(jī)組運(yùn)行中對(duì)絕緣材料的磨損，有效防止了定子穿芯螺桿過(guò)熱情況的發(fā)生。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述處理后，在#3機(jī)組運(yùn)行中多次對(duì)發(fā)電機(jī)定子穿芯螺桿進(jìn)行監(jiān)測(cè)，到目前為止，穿芯螺桿的絕緣值都很正常，螺桿螺母也完全在最初的位置上，證明文中處理措施有效。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉云.水輪發(fā)電機(jī)故障處理與檢修[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2002.

[2]沙錫林.貫流式水電站[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,1999.

[3]劉國(guó)選.燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行與檢修[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，2006.