水輪發(fā)電機定子鐵芯變形故障分析及處理措施探究

摘要：發(fā)電機性能的重要影響因素是定子鐵芯松動問題，因此對于定子鐵芯出現(xiàn)的故障進行分析，從設計到運行全流程加以研究并提出有針對性的解決措施，對于解決故障，排除隱患具有重要意義。文章圍繞水輪發(fā)電機定子鐵芯變形以及故障處理的措施展開論述，結合實際案例進行系統(tǒng)的闡述。

關鍵詞：水輪發(fā)電機；定子鐵芯；變形故障；故障處理措施；定子改造工程 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM312 文章編號：1009-2374（2017）06-0167-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.084

廣西水利電力建設集團組織施工的梧州京南電站發(fā)電機定子改造工程，主要針對發(fā)電機組中定子鐵芯松動變形的情況加以改造。作為桂江流域的第五級電站，京南電站安裝的兩臺單機為34.5MW的燈泡貫流式機組。發(fā)電機為進口設備，分別出現(xiàn)過兩相短路和定子線圈對地擊穿的短路事故。經(jīng)過檢查后發(fā)現(xiàn)是定子鐵芯松動變形造成的。事后對定子鐵芯松動部分和線棒的損壞部分進行了處理，但是沒有解決根本性的問題。為了保證發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行，在對發(fā)電機定子鐵芯進行故障原因分析的基礎上進行了改造工程。

1 原有發(fā)電機定子鐵芯故障問題

經(jīng)過對京南電站發(fā)電機定子鐵芯存在的松動和變形問題進行了查找之后，發(fā)現(xiàn)的問題包括：原生產(chǎn)廠家在設計上存在問題，如鐵芯沖片設計的軛寬和槽深的比例有不合理的情況；定位筋上采用的固定鴿圍尾筋以及發(fā)電機定子鐵芯熱膨脹的變形缺乏預防措施的問題，鐵芯壓緊的結構不合理的情況；背拉式拉緊螺桿對鐵芯的壓緊不利造成強度不足的情況；鐵芯沒有采用分段壓緊的情況以及內(nèi)部壓緊力不均勻的情況等。

2 原發(fā)電機出現(xiàn)定子鐵芯故障的原因

第一，京南電站的水輪發(fā)電機設計為單軸臥式結構，與水輪機共用一根主軸，軸兩端分別通過法蘭與轉子和水輪機轉輪連接，主要由定子、轉子、組合式推力導軸承、冷卻套、燈泡頭等部件組成。發(fā)電機產(chǎn)生的扭矩、部分徑向力和軸向力通過水輪機管形座內(nèi)、外殼體傳遞至廠房基礎。

勵磁由一套靜止可控硅整流裝置提供，勵磁電流通過碳刷和滑環(huán)輸送至轉子，滑環(huán)和碳刷安裝在發(fā)電機轉子輪轂上游側。在上游側燈泡體頂部設置有垂直進出豎井，便于工作人員進入發(fā)電機內(nèi)部進行檢查和維護，動力電纜、勵磁電纜、控制和信號電纜以及冷卻水管和轉輪接力器操作油管均通過進出豎井引出。

第二，發(fā)電機在經(jīng)過長時間的運行后，由于機體的溫度的升高，使得定子鐵芯在高溫的作用下不斷膨脹變形，造成凹槽或者斷齒的情況發(fā)生。由于鐵芯和機械轉自的外徑不在共軸的狀態(tài)，使得一些氣隙相對較窄的區(qū)域出現(xiàn)了磁拉力，加劇了鐵芯部分的變形，導致齒壓板和沖片齒的分離。機械鐘的硅鋼片容易在機器的激烈振動下發(fā)生破碎，最終導致元件的凹槽形損傷。

第三，發(fā)電機械的工作使得機體的溫度升高，因此機器中的定子鐵芯出現(xiàn)了波浪形的振動，出現(xiàn)定子核心偏離和脫離的故障。

第四，機器附近的空氣中的塵埃，導致機器中的油液相互依附，累積在定子元件的線圈以及鐵芯部分中。隨著油霧的增加，定子元件的通風口遭到了堵塞，使得設備無法通風散熱。

3 原定子鐵芯結構特點分析

定子主要由定子框架、鐵芯和繞組等部件組成。定子框架由焊接鋼環(huán)構成，上下游側都設有焊接法蘭，框架設計具有剛性和防震結構，其內(nèi)部形成空氣流動的冷卻通道。定子分兩瓣制造，疊片和下線在制造廠內(nèi)完成，工地組合后焊接成整體，進行合縫下線。定子鐵芯采用0.5mm厚高質量硅鋼片半搭接疊裝而成，每塊硅鋼片沖壓和磨光后，在每一面涂上絕緣漆。鐵芯采用楔形接合法，固定在定子框架上。鐵芯分層疊裝，層間疊放I形高硬度間隔棒，定子鐵芯的壓緊是在上游側采用一個鋼壓環(huán)焊接固定在定子機架上，下游側用帶壓力齒的分段端板將鐵芯均勻地壓緊，保證鐵芯齒面全周長保持均勻壓力。定子繞組為整距槽形雙層波繞組，每槽有上下兩層繞組。定子繞組為棒型線圈，每一線棒由若干根銅導線組成，單個導體由玻璃纖維絲帶絕緣，整根線棒由多層云母疊層絕緣，經(jīng)凈化處理并浸漬環(huán)氧樹脂。為防止放電，鐵芯槽內(nèi)每根線棒全長附有不溶性半導體護層。線棒裝入定子槽，在槽中采用硅橡膠進行固化處理，定子槽由楔形基礎材料封閉并用硅橡膠進行固定。定子繞組為星形連接，6個出線端，各相主引出線從垂直進出豎井引出；中性引出線引至布置在燈泡頭內(nèi)部的電流互感器，在電流互感器之后短接成中性點。

4 改造方案及改裝后的發(fā)電機定子參數(shù)以及特性

4.1 改造的具體措施

經(jīng)過對發(fā)電機定子鐵芯的勘察和研究后，技術人員提出了改造的具體措施為：整體更換定子鐵芯和線棒，計算發(fā)電機的剛度；綜合考慮定子鐵芯和線棒，改善線棒和鐵芯的溫度；綜合京南電站的水文情況，成立專業(yè)技術團隊，與技術廠家進行調(diào)研和分析，確保方案能夠順利實施。

4.2 電氣試驗

經(jīng)過改造后，采用了一系列的電氣試驗：包括繞組對機殼及繞組相互間絕緣電阻的測定；繞組在實際冷態(tài)下直流電阻的測定；穩(wěn)態(tài)短路特性及空載特性的測定；發(fā)電機繞組直流耐壓試驗及交流耐壓試驗；定子鐵芯磁化（鐵損）試驗測溫元件絕緣電阻測定；軸承絕緣電阻測定及溫度測定；軸電壓測定；定子繞組匝間絕緣介電強度試驗；轉子每個磁極交流阻抗測定；定子對地電容電流測定；定子繞組擎體起暈電壓試驗等。

4.2.1 機械特性。

第一，發(fā)電機定子及與其直接和間接連接的輔機應能在最大飛逸轉速下運行5min而不產(chǎn)生有害變形及接頭開焊等情況。

第二，發(fā)電機定子應從機械角度設計成能連續(xù)承受工作應力和安全系數(shù)中規(guī)定范圍內(nèi)的應力，發(fā)電機定子結構強度應能承受在額定轉速及空載電壓等于105%額定電壓下。

第三，當發(fā)生機端短路或半數(shù)磁極短路時，發(fā)電機定子應不產(chǎn)生有害的變形和損壞軸承。發(fā)電機定子結構強度應承受地震烈度Ⅵ度的情況下，不產(chǎn)生有害變形和造成破壞性損壞。

4.2.2 定子結構要求。定子包括了機座、鐵芯、繞組等部件，機座的剛度應滿足放置的位置以及起吊的方式中的受力和變形的要求，疊片采用了高導磁率、低損耗、冷軋薄矽鋼片；定子繞組采用星形連接，線棒的主絕緣采用真空壓力浸漬法以及其他技術，絕緣材料采用玻璃絲帶、云母板、環(huán)氧樹脂等材料，槽墊片不能使用低于F級絕緣的材料。定子繞組導體材料采用的是退火銅，導電性能良好，沒有裂片、裂紋、粗糙的斑點和尖角。所有定子的端箍均使用非磁性材料制造。

4.2.3 定子更換后的電氣主要參數(shù)。定子更換后的電氣主要參數(shù)如表1所示。

4.2.4 電氣特性。當定子繞組接成正常工作接法時，在空載及額定電壓下，線電壓波形正弦性畸變率不超過5%。在空載額定電壓和額定轉速時，線電壓的電壓諧波因數(shù)不應超過1.5%。發(fā)電機定子繞組應能承受以下規(guī)定的交流50Hz工頻電壓有效值歷時1min試驗而不被擊穿。在交流耐壓前應對定子繞組進行3倍額定電壓的直流耐壓和泄漏電流測定。試驗時按每級0.5倍額定電壓分階段升高，每階段停留1min，其泄漏電流應不隨時間延長而增大。各相泄漏電流的差值應不大于最小值的50%。定子單個線棒應在1.5倍額定線電壓下不起暈；整機耐壓時，槽部和端部應在1.1倍額定線電壓下不起暈。

4.2.5 定子溫度檢測。每臺發(fā)電機均應配有電阻式測溫元件，供計算機溫度巡檢以及報警和跳閘用，定子繞組和鐵芯的溫度測量采用埋置檢溫計法。電阻式溫度信號探測元件均采用單支鉑電阻，在0℃時，其電阻值100±0.1Ω，每個探測元件均用4根引線接至發(fā)電機端子箱中的端子排上。測溫元件的外殼應絕緣。導線應絕緣和外套應耐油，并具有屏蔽使電磁干擾最小。檢溫計的敏感點應與線圈或被測表面緊密接觸，并有足夠的防護措施，以防受到冷卻介質的影響。

5 結語

實施改造工程后，定子鐵芯的工作效率得到了提高，磁路的飽和程度得到了降低，而且鐵芯沒有再出現(xiàn)短路等情況，也沒有出現(xiàn)定子中間的縫隙不暢的情況。因此本次改造工程的效果是令人滿意的，取得了較為理想的故障處理效果。

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作者簡介：覃飛慶（1976-），男，廣西梧州人，供職于廣西梧州桂江電力有限公司，研究方向：庫區(qū)事務部電氣設備維護。

（責任編輯：小 燕）