水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心端部沖片逸出原因分析及預(yù)防措施

劉世澤，岳文亭，肖先照，劉 宇，李 悅，武倩倩

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水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心端部沖片逸出原因分析及預(yù)防措施

劉世澤1，岳文亭1，肖先照2，劉 宇2，李 悅2，武倩倩2

（1.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司劉家峽水電廠，甘肅 永靖 731600；2. 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

本文研究了水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心端部沖片逸出，割傷線圈主絕緣，導(dǎo)致繞組接地的問(wèn)題。分析了沖片逸出的原因，總結(jié)了一些在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝和安裝方面預(yù)防端部沖片逸出的措施。本文對(duì)定子鐵心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及處理沖片逸出具有指導(dǎo)意義。

水輪發(fā)電機(jī)；定子鐵心；沖片；逸出

0 前言

近年來(lái)，水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心端部沖片在徑向移動(dòng)逸出，割傷定子線棒主絕緣，屢屢造成定子繞組接地的事故，極大地威脅到電廠的安全生產(chǎn)。定子端部沖片逸出問(wèn)題不是燈泡式水輪發(fā)電機(jī)所特有，越來(lái)越多的立式水輪發(fā)電機(jī)也同樣發(fā)生此類事故[1-6]。此類接地故障點(diǎn)都發(fā)生在下層線棒的上、下端，處理困難，維修周期長(zhǎng)，對(duì)電站造成的影響和經(jīng)濟(jì)損失巨大。行業(yè)內(nèi)也越來(lái)越多的人開(kāi)始關(guān)注、研究鐵心端部沖片逸出的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐應(yīng)用，廣大工程技術(shù)人員總結(jié)了一些現(xiàn)場(chǎng)處理端部沖片逸出的有效措施，也提出了一些在技術(shù)方面改進(jìn)的方案[6-8]。本文分析了定子鐵心端部沖片逸出的原因，闡述了如何優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和安裝工藝來(lái)預(yù)防沖片逸出。

1 鐵心端部沖片逸出問(wèn)題

1.1 定子鐵心結(jié)構(gòu)

定子鐵心用來(lái)固定定子繞組，也是磁路的重要組成部分，為水輪發(fā)電機(jī)定子的一個(gè)關(guān)鍵部件。發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，鐵心受機(jī)械力、熱應(yīng)力及電磁力的綜合作用[9]。定子鐵心由扇形片，通風(fēng)槽片、定位筋、齒壓板、拉緊螺桿及固定部件組成。定子鐵心通過(guò)沖片軛部鴿尾槽與定位筋相連，定位筋通過(guò)托塊與定子機(jī)座連接為一個(gè)整體（或者定位筋直接焊接在定子機(jī)座上的死筋結(jié)構(gòu)），如圖1所示。為了減少發(fā)電機(jī)端部漏磁，定子鐵心端部通常采用3段階梯片結(jié)構(gòu)，每段階梯高度為6mm，各段階梯片徑向相差6mm，階梯沖片采用粘接技術(shù)，保證鐵心端部整體性。

1.2 鐵心端部逸片現(xiàn)象

燈泡貫流式、立式水輪發(fā)電機(jī)組鐵心端部沖片向徑向方向移動(dòng)逸出，割損線棒主絕緣造成定子繞組接地故障，如圖2所示。沖片逸出的機(jī)組鐵心結(jié)構(gòu)既有穿心螺桿結(jié)構(gòu)，也有背部拉桿結(jié)構(gòu)；既有活動(dòng)定位筋結(jié)構(gòu)，也有死定位筋結(jié)構(gòu)；既有大齒壓板結(jié)構(gòu)，也有小齒壓板結(jié)構(gòu)，幾乎涵蓋了所有應(yīng)用結(jié)構(gòu)。從機(jī)組發(fā)電至沖片逸出導(dǎo)致接地故障的時(shí)間從幾年到二十多年，燈泡貫流式機(jī)組端部沖片逸出的時(shí)間要比立式機(jī)組短很多，見(jiàn)表1。沖片逸出的共同特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)端鐵心與齒壓板相接觸的第1張或緊接著的第2張沖片發(fā)生了竄動(dòng)逸出，如圖3所示。逸出的沖片在圓周方向上分布無(wú)規(guī)律，逸出的位移大小也不相同，線棒主絕緣損傷的程度也不同。

圖1 定子鐵心結(jié)構(gòu)視圖

圖2 下層線棒主絕緣受損

表1 定子鐵心端部沖片逸出機(jī)組情況統(tǒng)計(jì)表

圖3 立式機(jī)組驅(qū)動(dòng)端沖片逸出

2 鐵心端部沖片逸出原因分析

盡管定子鐵心結(jié)構(gòu)多樣，機(jī)組運(yùn)行時(shí)受力也比較復(fù)雜，并且還受到制造、安裝工藝等綜合因素的影響。但通過(guò)對(duì)已發(fā)生端部沖片逸出的機(jī)組的結(jié)構(gòu)型式、運(yùn)行狀況、安裝工藝等方面進(jìn)行對(duì)比后可知：

（1）電磁力是否會(huì)帶動(dòng)沖片使端部沖片逸出？鐵心沖片裝壓時(shí)片間壓力要求達(dá)到17~19MPa，以此計(jì)算得到的摩擦力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于機(jī)組運(yùn)行時(shí)鐵心沖片受到的電磁力。并且沖片逸出都是發(fā)生在鐵心端部尤其是驅(qū)動(dòng)端，如果是電磁力作用的結(jié)果，會(huì)是無(wú)規(guī)律的。因此，端部沖片逸出并非電磁力作用的結(jié)果。

（2）通過(guò)表1可知。各種結(jié)構(gòu)型式的定子鐵心均出現(xiàn)過(guò)端部沖片逸出現(xiàn)象，但這些結(jié)構(gòu)也同樣使用在其它電站的發(fā)電機(jī)組，而這些電站運(yùn)行幾十年并未出現(xiàn)鐵心端部逸片現(xiàn)象。由此可見(jiàn)，端部沖片逸出與鐵心結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。

（3）鐵心在裝壓時(shí)壓緊度不夠會(huì)導(dǎo)致鐵心整體性差或者松動(dòng)，進(jìn)而引起鐵心翹曲變形，出現(xiàn)振動(dòng)和噪聲。嚴(yán)重的鐵心翹曲變形會(huì)使粘接的端部階梯片出現(xiàn)層間分離，造成沖片間的摩擦力減小[10,11]。在長(zhǎng)期的鐵心和機(jī)座熱脹冷縮產(chǎn)生相對(duì)位移的情況下，下端沖片間會(huì)在摩擦力的作用下竄動(dòng)逸出。但是通過(guò)對(duì)逸片的機(jī)組檢查發(fā)現(xiàn)，大部分鐵心并未出現(xiàn)翹曲變形。由此可見(jiàn)，鐵心裝壓緊度不夠可能會(huì)導(dǎo)致端部沖片逸出，但不是本質(zhì)原因。

（4）定子鐵心在運(yùn)行的過(guò)程中受熱應(yīng)力的作用，這個(gè)力無(wú)法抗拒地存在。機(jī)組從冷態(tài)起動(dòng)到熱穩(wěn)定，定子鐵心和機(jī)座溫度都會(huì)升高，產(chǎn)生膨脹位移。然而機(jī)組停機(jī)狀態(tài)則會(huì)與之相反。由于鐵心和機(jī)座溫升不一樣，材質(zhì)不一樣，鐵心與機(jī)座便會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移。當(dāng)端片和壓指間存在摩擦力小于端片與其它片間的摩擦力時(shí)，則鐵心作為一個(gè)整體在壓指間滑動(dòng)；當(dāng)端片和壓指間存在摩擦力大于端片與其它片間的摩擦力時(shí)，壓指與端片長(zhǎng)期摩擦力作用會(huì)使端部沖片（與壓指接觸的或者臨近的沖片）與鐵心其它沖片失去整體性，從而竄出逸片。對(duì)同一個(gè)電站多臺(tái)機(jī)組對(duì)比可知，起動(dòng)次數(shù)越平凡，端片逸出問(wèn)題越嚴(yán)重。由此可知，熱應(yīng)力的作用使端部階梯沖片產(chǎn)生位移是端部沖片逸出的本質(zhì)所在。

3 端部沖片逸出的預(yù)防措施

針對(duì)端部沖片逸出的原因分析，以及對(duì)以往機(jī)組逸片資料的歸納和總結(jié)，在新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝、安裝工藝等方面采取必要的改進(jìn)措施，具體如下：

（1）端部階梯片粘接在制造廠內(nèi)進(jìn)行，保證質(zhì)量，是防止沖片竄動(dòng)逸出的主要措施。根據(jù)鐵心端部階梯段的結(jié)構(gòu)尺寸，在制造廠內(nèi)采用3543硅鋼片粘接膠，嚴(yán)格遵循邊段硅鋼片粘接工藝守則。制造廠內(nèi)粘接端部沖片能克服現(xiàn)場(chǎng)安裝工藝技術(shù)的不足，是保證片間粘接力大于齒壓板與沖片間摩擦力的有力措施。

（2）端部階梯片采用閉口槽設(shè)計(jì)。與原先半開(kāi)口鴿尾槽結(jié)構(gòu)相比較，閉口槽限位作用更強(qiáng)，鐵心的整體性更好。

（3）首末段沖片的軛部絕緣銷設(shè)置。為保持定子鐵心首末段沖片的整體性，首末段沖片的軛部設(shè)置銷孔，工地疊裝時(shí)裝入絕緣銷，并用3543硅鋼片粘接膠粘牢。絕緣銷具有一定的抗剪切能力，與閉口槽配合使用，能很好地克服片間摩擦力的作用，防止沖片逸出。

（4）防止鐵心松動(dòng)的壓緊結(jié)構(gòu)。當(dāng)鐵心沖片軛部寬度大于215mm時(shí)，選擇穿心螺桿結(jié)構(gòu)，否則選擇背部拉緊螺桿結(jié)構(gòu)。鐵心沖片片間壓應(yīng)力按1.7~1.9MPa進(jìn)行設(shè)計(jì)，并設(shè)置可以保持鐵心恒壓的碟形彈簧，拉緊螺桿上端圓螺母設(shè)置背著的防松六角螺母。這些結(jié)構(gòu)改進(jìn)可以保持鐵心在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行和頻繁起動(dòng)等工況下，片間的壓力保持在許用范圍值內(nèi)，鐵心不易松動(dòng)。

上述預(yù)防措施已經(jīng)在居多燈泡貫流和立式水輪發(fā)電機(jī)組上得以實(shí)施，機(jī)組運(yùn)行若干年未出現(xiàn)逸片跡象。

4 結(jié)論

水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心端部沖片逸出導(dǎo)致定子繞組接地是非常嚴(yán)重的事故，過(guò)去行業(yè)內(nèi)技術(shù)人員對(duì)這個(gè)問(wèn)題存在認(rèn)識(shí)上的不足。隨著逸片問(wèn)題的不斷出現(xiàn)尤其是運(yùn)行幾十年的立式水輪發(fā)電機(jī)組，設(shè)備制造廠和電站運(yùn)維人員不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，從本質(zhì)上查找原因，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造和安裝工藝方面不斷地加以規(guī)范和改進(jìn)，徹底解決了鐵心端部逸片問(wèn)題。

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Cause Analysis and Preventive Measures on the Escape of Punching Slice of Hydro-generator Stator End

LIU Shize1, YUE Wenting1, XIAO Xianzhao2, LIU Yu2, LI Yue2, WU Qianqian2

(1. Liujiaxia Hydro Power Station, Yongjing 731600, China;2. Harbin Electric Machinery Co., Ltd., Harbin 150040, China)

This paper deals with the problem of stator winding grounding caused by the escape of punching slice of hydro-generator stator end. It further analyses the causes of the escape of punching slice and summaries some measures to prevent the escape of punching slice from structural design, production process and installation process. This paper has guiding significance for the stator core structure design and treatment on the escape of punching slice.

hydro-generator; stator core; punching slice; escape

TM312

A

1000-3983(2017)06-0044-03

2017-01-15

劉世澤（1966-），1994年畢業(yè)于華北電力學(xué)院電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，獲工程學(xué)學(xué)士學(xué)位，高級(jí)工程師，國(guó)網(wǎng)甘肅劉家峽水電廠生產(chǎn)技術(shù)部主任工程師，高電壓專業(yè)技術(shù)帶頭人。