苗家壩水電站定子穿心螺桿絕緣處理的研究與實(shí)施

丁立葉

(大唐碧口水力發(fā)電廠,甘肅 文縣 746412)

苗家壩水電站定子穿心螺桿絕緣處理的研究與實(shí)施

丁立葉

(大唐碧口水力發(fā)電廠,甘肅 文縣 746412)

苗家壩電站3臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組自2014年6月投產(chǎn)以來,存在部分定子穿心螺桿絕緣不合格(<15MΩ)的問題,經(jīng)過嘗試電流燒烤法、振動(dòng)法、吹掃法等多種方法進(jìn)行處理,定子穿心螺桿絕緣下降的現(xiàn)象反復(fù)出現(xiàn).經(jīng)過研究攻關(guān),制定了改變定子穿心螺桿絕緣方式的處理方案,將原定子穿心螺桿分段絕緣結(jié)構(gòu)改造為全絕緣結(jié)構(gòu).2015年和2016年分別對(duì)3#機(jī)和2#機(jī)定子穿心螺桿進(jìn)行技術(shù)改造,改造后定子穿心螺桿絕緣全部合格,再未出現(xiàn)絕緣反復(fù)降低的現(xiàn)象,該問題得到了徹底解決.

定子;穿心螺桿;絕緣;水輪發(fā)電機(jī);苗家壩水電站

1 電站概況及隱患危害

苗家壩水電站共設(shè)計(jì)安裝3臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組,發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF80-30/7600,發(fā)電機(jī)定子主要由定子機(jī)座、鐵芯和繞組等組成,定子鐵芯壓緊采用穿芯螺桿結(jié)構(gòu),3臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組自2014年6月投產(chǎn)以來,存在部分定子穿心螺桿絕緣不合格(<15MΩ)的問題,甚至部分螺桿絕緣值直接為"0MΩ",無法滿足設(shè)計(jì)要求.根據(jù)發(fā)電機(jī)工作原理,發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí),定子穿芯螺桿切割磁力線,在其兩端形成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),當(dāng)1臺(tái)機(jī)定子穿芯螺桿發(fā)生兩點(diǎn)以上接地時(shí),2個(gè)螺桿通過接地形成回路,導(dǎo)致螺桿間形成短路電流,在該電流的長(zhǎng)時(shí)間作用下,將會(huì)導(dǎo)致定子穿芯螺桿發(fā)熱,甚至燒損斷裂,同時(shí)短路回路附近的鐵芯溫度升高,容易造成定子線圈燒毀.定子穿心螺桿斷裂后,定子鐵芯松動(dòng),在強(qiáng)大的磁拉力作用下,將造成定子鐵芯扭曲變形,最終導(dǎo)致整臺(tái)機(jī)組的定子報(bào)廢.

2 原因分析

為徹底解決此重大設(shè)備隱患,經(jīng)過攻關(guān)小組成員對(duì)定子穿心螺桿設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及安裝過程進(jìn)行綜合分析,導(dǎo)致定子穿芯螺桿絕緣下降的主要原因有以下兩點(diǎn).

(1)結(jié)構(gòu)分析.苗家壩水電站定子鐵芯在現(xiàn)場(chǎng)組裝、疊片,鐵芯高度為1500mm.定子鐵芯壓緊由162根φ16mm穿心螺桿拉伸緊固,穿心螺桿穿過鐵芯沖片φ22mm孔時(shí),每隔3個(gè)通風(fēng)槽的垂直距離處放置一內(nèi)徑φ16.5mm法蘭型絕緣套管,共放置9個(gè),加上上下端部安裝的絕緣套管,共計(jì)11個(gè).穿芯螺桿無絕緣套管部分與鐵芯間存在3mm單邊空氣間隙,具體結(jié)構(gòu)如圖1所示).從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上分析,存在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷,機(jī)組運(yùn)行過程中,發(fā)電機(jī)風(fēng)洞內(nèi)可能存在的粉塵,通過定子通風(fēng)槽片進(jìn)入,并堆積在法蘭型絕緣套管頂端,導(dǎo)致穿心螺桿和定子鐵芯通過灰塵導(dǎo)通,造成絕緣下降,甚至接地.(2)安裝過程分析.定子疊裝過程中,廠房尚未封頂,現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)境較為惡劣,雖然采取了搭設(shè)封閉施工棚等防護(hù)設(shè)施,但在定子鐵芯疊裝過程中,定子穿心螺桿孔中的依然存在粉塵堆積的可能性;鐵芯在分段拉伸過程中,拉伸螺桿可能產(chǎn)生的鐵削等雜物掉落在定子穿心螺孔內(nèi),特別是鐵芯磁化試驗(yàn)后,穿心螺桿孔中吸附的金屬粉塵均可導(dǎo)致穿心螺桿和定子鐵芯導(dǎo)通,造成絕緣下降,甚至接地.

圖1 定子鐵芯結(jié)構(gòu)圖

3 方案提出

通過原因分析和調(diào)研論證分析,最終確定攻關(guān)方向?yàn)楦淖兌ㄗ哟┬穆輻U絕緣結(jié)構(gòu),將原來分段絕緣改造為全絕緣的形式,徹底解決螺桿絕緣反復(fù)降低的問題.具體提出兩項(xiàng)改造方案.(1)將現(xiàn)有分段安裝的法蘭型絕緣套管更換為通長(zhǎng)全絕緣套管.(2)對(duì)穿心螺桿進(jìn)行全絕緣包裹處理.

4 方案論證

(1)法蘭型絕緣套管更換為通長(zhǎng)全絕緣套管.對(duì)此方案分析認(rèn)為,由于法蘭型絕緣套管已在定子疊裝過程中壓入鐵芯內(nèi)部,如更換絕緣套管,必須將整個(gè)定子全部分解、重新疊裝,此方案處理工序繁瑣、工藝復(fù)雜且處理工期較長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)投資較大.初步估算,按照此方案進(jìn)行改造,工期至少需要3個(gè)月,改造投資大約需要800萬元,工期較長(zhǎng)、耗資巨大,不具備實(shí)施條件.(2)穿心螺桿進(jìn)行全絕緣包裹處理.如果在原定子穿心螺桿(φ16mm)外形尺寸的基礎(chǔ)上,進(jìn)行全絕緣包裹處理,則螺桿的外形尺寸將增大,而絕緣套管內(nèi)徑僅為φ16.5mm,且各絕緣套管間還存在一定的中心偏差,為了便于穿心螺桿能夠順利回裝,全絕緣處理后的穿心螺桿直徑應(yīng)不超過φ16mm,因此必須對(duì)穿心螺桿重新進(jìn)行選型更換.按照螺紋規(guī)格,φ16mm螺桿減小尺寸,最接近的螺桿外徑尺寸為φ14mm,新選尺寸的螺桿是否能滿足單根螺桿受力值72kN的抗拉強(qiáng)度,需進(jìn)行強(qiáng)度校核.此問題委托有資質(zhì)單位對(duì)φ14mm高強(qiáng)度螺桿進(jìn)行選材和力學(xué)性能計(jì)算,根據(jù)原機(jī)組的技術(shù)參數(shù),按照每根拉緊螺桿的受力值 72kN不變,可以計(jì)算出,如果將拉緊螺桿直徑由原機(jī)組的φ16mm變更為φ14mm后(數(shù)量162根,長(zhǎng)度 1849mm不變),對(duì)應(yīng)的光桿處拉應(yīng)力是467.7MPa,螺紋段(按照小徑尺寸φ11.835mm計(jì)算)的拉應(yīng)力是654.5MPa,整根拉桿的伸長(zhǎng)量是4.44mm.當(dāng)拉緊螺桿規(guī)格選擇φ14mm時(shí)(兩端螺紋是M14),材料選擇高強(qiáng)度的合金結(jié)構(gòu)鋼圓鋼國(guó)產(chǎn)材料42CrMo(抗拉強(qiáng)度900~1050MPa)或進(jìn)口材料42CrMo4(抗拉強(qiáng)度900~1050MPa)時(shí),力學(xué)性能可以滿足理論計(jì)算的強(qiáng)度要求.

通過上述分析計(jì)算,改造時(shí)將螺桿的規(guī)格降低到φ14mm在理論上可行.經(jīng)過對(duì)φ14mm螺桿包繞無堿玻璃絲帶并涂刷中溫固化膠干燥后,測(cè)量尺寸在15~15.6mm之間,絕緣測(cè)量遠(yuǎn)大于15MΩ,符合安裝要求.

5 論證結(jié)論

經(jīng)過上述兩方案的對(duì)比分析,將原有的φ16mm的螺桿更換為φ14mm 42CrMo(國(guó)產(chǎn)材料)高強(qiáng)鋼穿心螺桿,無論在抗拉強(qiáng)度上,還是在絕緣方面,均能滿足設(shè)計(jì)要求.而更換定子穿心螺桿過程中,不需要對(duì)整臺(tái)定子全部拆解,工序相對(duì)容易,且施工難度、工期及投資相對(duì)較小,因此最終論證確定的改造方案為:更換全絕緣的定子穿心螺桿,將穿心螺桿與定子鐵芯完全隔絕,徹底解決螺桿絕緣反復(fù)降低的問題.

6 具體方案

(1)清潔風(fēng)洞.對(duì)機(jī)坑、上機(jī)架、轉(zhuǎn)子、定子機(jī)座、空冷器、下機(jī)架,下蓋板等部位,進(jìn)行全面徹底清掃.對(duì)定子線圈、轉(zhuǎn)子磁極等重要部位清掃時(shí),用面團(tuán)進(jìn)行除塵,其它部位用吸塵器、酒精布、毛刷等工具進(jìn)行除塵.(2)風(fēng)洞內(nèi)地面涂刷環(huán)氧地坪漆.保持風(fēng)洞內(nèi)空氣清潔度,減少金屬粉塵的存在幾率.(3)加工制造一臺(tái)套φ14mm材質(zhì)為42CrMo(國(guó)產(chǎn)材料)螺桿定子穿心螺桿.螺桿加工過程中,控制退刀槽尺寸不低于φ11.6mm,經(jīng)力學(xué)性能檢測(cè)及無損檢測(cè)合格.對(duì)螺桿直桿段,包繞環(huán)氧玻璃粉云母帶5440-1并涂刷中溫固化膠后,干燥處理絕緣檢測(cè)合格后備用.(4)申請(qǐng)機(jī)組A修.拆除發(fā)電機(jī)定子線棒、匯流排等設(shè)備,具備定子穿心螺桿更換條件(準(zhǔn)備線棒、絕緣盒、槽楔等備品,防止拆除過程中損壞).(5)為防止定子鐵芯松動(dòng),穿心螺桿更換采用"拆除一根、更換一根"的原則,禁止大面積拆除后更換.(6)原定子穿心螺桿拆除后,利用低壓風(fēng)對(duì)定子穿心螺孔內(nèi)進(jìn)行吹掃,清除灰塵、鐵削等雜物.(7)更換螺桿,按照4.44mm伸長(zhǎng)量進(jìn)行預(yù)緊拉伸.(8)用500V搖表檢查螺桿絕緣,絕緣值不低于15MΩ.(9)設(shè)備回裝,在鐵芯磁化及耐壓試驗(yàn)前后檢查定子穿心螺桿絕緣的變化情況.(10)開機(jī)試運(yùn),跟蹤監(jiān)測(cè)螺桿絕緣的變化情況.

7 效果檢查

2015年底和2016年底,苗家壩水電站組織開展2#和3#機(jī)組A級(jí)檢修工作,按照改造方案對(duì)原162根定子穿心螺桿進(jìn)行全部更換,更換后測(cè)量螺桿絕緣,全部合格.機(jī)組回裝后,經(jīng)過近1年的跟蹤檢測(cè),再未發(fā)生定子穿心螺桿絕緣下降的事件,此問題得到了徹底有效地解決.

8 成果總結(jié)

通過自主討論研發(fā)的新工藝、新方法,徹底解決了苗家壩水電站2#和3#發(fā)電機(jī)定子穿心螺桿絕緣不合格的重大設(shè)備隱患,避免了機(jī)組帶病運(yùn)行可能造成的整臺(tái)定子報(bào)廢,也避免了定子修復(fù)過程中所產(chǎn)生的投入和電量損失;同時(shí)該工藝和方法的使用在行業(yè)內(nèi)尚屬首例,在絕緣處理過程中不需要對(duì)整臺(tái)定子全部拆解,節(jié)省了檢修周期和檢修費(fèi)用,處理效果明顯且能夠徹底解決定子穿心螺桿絕緣問題,在行業(yè)內(nèi)同類型機(jī)組發(fā)生的類似問題處理方面具有重要的推廣和指導(dǎo)意義.

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