淺析水輪發(fā)電機(jī)定子鐵芯銹蝕及處理

陳 平

（國(guó)網(wǎng)公司東北長(zhǎng)甸發(fā)電廠，遼寧省丹東市 118000）

0 引言

2013年，根據(jù)機(jī)組檢修周期對(duì)太平灣發(fā)電廠三號(hào)機(jī)進(jìn)行了B級(jí)檢修，在檢修工作中，發(fā)現(xiàn)了許多缺陷，其中定子鐵芯表面局部產(chǎn)生銹蝕的現(xiàn)象引起了高度重視，因?yàn)殇P蝕的產(chǎn)生說(shuō)明鐵芯一定存在某種故障，而鐵芯是發(fā)電機(jī)定子的重要組成部分，同時(shí)也是主磁路的一部分，且定子鐵芯槽內(nèi)鑲嵌有線圈，一旦鐵芯發(fā)生故障，將導(dǎo)致定子線圈主絕緣受到損傷，引發(fā)定子繞組接地?zé)龘p的嚴(yán)重后果。因此，針對(duì)鐵芯可能發(fā)生的故障進(jìn)行分析，并介紹處理鐵芯銹蝕的方法。

1 鐵芯故障的原因分析

1.1 有效鐵芯壓裝的變松引起鐵芯故障

發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，在有效鐵芯上作用很大的機(jī)械力。該力決定于電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子和定子之間的徑向交變磁拉力及有效鐵芯的自重。如果裝壓比較松，交變力導(dǎo)致有效鐵芯圓筒和個(gè)別扇形片的松動(dòng)，伴隨出現(xiàn)噪聲和齒的損壞。有效鐵芯緊度變松的特征是：在它的表面或通風(fēng)溝的深處出現(xiàn)銹蝕，這時(shí)表面可能完全是干燥的。震動(dòng)片上的銹蝕是很穩(wěn)定的，在生銹的部位涂上絕緣漆后，銹蝕仍不停止，因?yàn)樵谶@個(gè)部位的漆膜很快被破壞。有效鐵芯或它的個(gè)別區(qū)域壓裝變松的主要原因是：由于扇形片的厚度非常不均勻，定子鴿尾筋安裝不準(zhǔn)確，通風(fēng)槽鋼安裝不準(zhǔn)確，造成有效鐵芯在制造廠時(shí)的疊裝質(zhì)量低劣，由于定子外殼震動(dòng)大和螺帽的鎖扣不可靠，使拉緊螺桿的螺帽旋出造成損壞。最常見(jiàn)的壓裝變松出現(xiàn)在定子邊段齒區(qū)，它造成個(gè)別扇形沖片的損壞，并使壓裝繼續(xù)變松，如圖1所示。

圖1 扇形沖片F(xiàn)ig.1 segmental lamination

太平灣發(fā)電廠發(fā)電機(jī)由于調(diào)峰頻繁啟動(dòng)（每年70～80次），使發(fā)電機(jī)定子有效鐵芯的溫度變化范圍達(dá)到50～70℃，發(fā)電機(jī)晝夜負(fù)荷不均勻，有功負(fù)荷變化200～130MW，無(wú)功負(fù)荷變化110～20Mvar，導(dǎo)致有效部分溫度變化達(dá)25～30℃，發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)接近1時(shí)，使定子端部邊段鐵芯漏磁通的軸向分量增加。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)TTB-200型發(fā)電機(jī)帶200MW有功負(fù)荷，cosψ在0.85變動(dòng)到1.0時(shí)，邊段鐵芯的磁感應(yīng)軸向分量由0.615T增加到0.668T。這種結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)邊段鐵芯的漏磁通較大，且階梯懸臂太長(zhǎng)。端部第一、第二段鐵芯之間只有一個(gè)通風(fēng)槽鋼支撐，齒部有兩個(gè)壓指，邊段鐵芯開(kāi)兩個(gè)梯形溝到槽底，不能保證該段鐵芯齒部疊裝壓力的均勻分布，在電磁力作用下引起鐵芯上下端部疊片松動(dòng)，導(dǎo)致瓢偏，在熱循環(huán)期間瓢偏點(diǎn)的夾緊力減小，引起振動(dòng)，導(dǎo)致疊片刺傷定子線棒絕緣而擊穿。另外，鐵芯的溫度變形，可導(dǎo)致齒部邊緣疊片折斷。如圖2所示。

1.2 鐵芯片間絕緣的損壞引起有效鐵芯的故障

發(fā)電機(jī)定子的有效鐵芯是電機(jī)的重要部件之一，在整個(gè)運(yùn)行期間，它應(yīng)該具有規(guī)定的機(jī)械、磁和電的特性。太平灣發(fā)電廠機(jī)組定子鐵芯是用厚度為0.35～0.5mm的扇形電工鋼片疊成，每片有漆膜絕緣。由20片帶漆膜的有效鐵芯扇形片疊成，每段用1MPa的壓力壓裝后，其最底電阻應(yīng)不小于80Ω。

發(fā)電機(jī)的扇形片有一側(cè)疊裝在鴿尾筋上，因此全部扇形片通過(guò)鴿尾筋本身彼此呈現(xiàn)電氣連接。當(dāng)有效鐵芯的齒或齒高部位的絕緣損壞時(shí)，就形成電流的閉合回路，如圖3所示。這個(gè)電流產(chǎn)生的損耗與回路的有效電阻有關(guān)?？赡苓_(dá)到很大的數(shù)值，引起很高的溫度，一直發(fā)展到使有效鐵芯熔化的嚴(yán)重事故。這很可能成為定子繞組絕緣破壞、與外殼短路以及相間短路的原因。因此，為了發(fā)電機(jī)可靠的運(yùn)行，應(yīng)該大力加強(qiáng)對(duì)有效鐵芯的溫度、壓裝及片間絕緣狀態(tài)的監(jiān)視。

圖2 磁感應(yīng)軸向分量曲線及鐵芯端部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Magnetic induction axial component curve and core end structure diagram

圖3 齒部片間絕緣損壞時(shí)的電流回路Fig.3 Current strength of insulation damage between tooth parts

有效鐵芯片間絕緣破壞和短路的原因：①硅鋼片的邊緣、經(jīng)過(guò)沖壓后加工面的邊緣、在制造廠定子繞組下線前銼過(guò)的有效鐵芯扇形的邊緣等出現(xiàn)的毛刺（毛邊）引起齒表面短路。②有效鐵芯壓裝不緊，引起片間震動(dòng)和片間絕緣破壞。③壓裝時(shí)采用的壓力過(guò)大，超過(guò)2MPa，使片間絕緣破壞。④運(yùn)行期間由于長(zhǎng)時(shí)間高于1.1UN（額定電壓）電壓持續(xù)作用引起破壞。

1.3 電阻溫度計(jì)損壞引起有效鐵芯的故障

電阻溫度計(jì)及其引線絕緣在運(yùn)行中損壞，是較為常見(jiàn)的。如果電阻溫度計(jì)絕緣損壞，在定子槽內(nèi)出現(xiàn)對(duì)機(jī)殼短路，見(jiàn)圖4，則在該電阻導(dǎo)線的引出端與機(jī)殼之間，出現(xiàn)基波頻率的交流電壓。這一電壓是由穿過(guò)ABCD回路的磁通感應(yīng)產(chǎn)生的，隨著該回路尺寸的不同，電壓數(shù)值可能達(dá)到幾十甚至幾百伏，后者是指軸向通風(fēng)的發(fā)電機(jī)，在這些發(fā)電機(jī)中溫度計(jì)導(dǎo)線沿著槽由定子端部引出。當(dāng)然這個(gè)電阻溫度計(jì)對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)機(jī)殼的任意第二點(diǎn)短路，都會(huì)形成電流回路。假如，定子機(jī)殼的E點(diǎn)是第二個(gè)短路點(diǎn)，在ABCDE回路中就有電流，電流數(shù)值與回路電阻及短路點(diǎn)之間的感應(yīng)電壓數(shù)值有關(guān)。通常，電阻溫度計(jì)的引線沿槽布設(shè)，從臨近的鐵芯段間的徑向通風(fēng)溝引出。由于ABCDE的面積小，故回路的感應(yīng)電勢(shì)和感應(yīng)電流也小，這時(shí)未發(fā)現(xiàn)鐵芯損壞。具有軸向通風(fēng)系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)，當(dāng)電阻溫度計(jì)本身或它的引線絕緣損壞時(shí)，可能損壞有效鐵芯和繞組。

圖4 當(dāng)埋入式電阻溫度計(jì)（AB之間）的絕緣損壞時(shí)所流電流回路Fig.4 Current loop when the insulation of the submerged resistance thermometer （AB） is damaged

對(duì)于電阻溫度計(jì)埋在槽楔下面的水冷汽輪發(fā)電機(jī)，在重新打緊槽楔和更換定子線棒時(shí)，必須特別小心并注意電阻溫度計(jì)引線的正確安裝與鋪設(shè)。

1.4 相間短路引起的定子鐵芯損壞

當(dāng)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)一點(diǎn)接地時(shí)，如果接地電容電流和持續(xù)時(shí)間各超過(guò)一定數(shù)值，就可能伴隨出現(xiàn)定子鐵芯燒損事故。因此，隨著單機(jī)容量增大，世界各國(guó)對(duì)于發(fā)電機(jī)單相接地保護(hù)要求越來(lái)越嚴(yán)格。法國(guó)ALSTHOM公司、日本三菱電機(jī)公司及蘇聯(lián)電力電氣化部對(duì)于容量為150MW及以上的汽輪發(fā)電機(jī)、50MW及以上的水輪發(fā)電機(jī)和同步調(diào)相機(jī)，一旦發(fā)電機(jī)電壓回路出現(xiàn)單相接地時(shí)，要求保護(hù)自動(dòng)跳閘，如果保護(hù)拒動(dòng)則應(yīng)迅速減負(fù)荷并解列停機(jī)。我國(guó)原水利電力部《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置規(guī)程》在這方面的規(guī)定比較靈活，提出采用經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償?shù)陌l(fā)電機(jī)，當(dāng)定子繞組發(fā)生接地時(shí)，發(fā)電機(jī)電壓回路的單相接地故障電流不準(zhǔn)超過(guò)表1的規(guī)定。若是接地故障電流大于上述數(shù)值，接地保護(hù)帶時(shí)限動(dòng)作于信號(hào)。但是，當(dāng)消弧線圈退出運(yùn)行或由于其他原因，使殘余電流大于接地電流允許值時(shí)，應(yīng)切換為動(dòng)作停機(jī)。對(duì)于100MW及以上的發(fā)電機(jī)，應(yīng)該裝設(shè)100%的定子接地保護(hù)，保護(hù)裝置帶時(shí)限動(dòng)作于信號(hào)，根據(jù)系統(tǒng)情況和發(fā)電機(jī)絕緣情況，必要時(shí)也可以動(dòng)作跳閘。

表1 接地電流數(shù)值Tab.1 Ground current value

2 定子鐵芯產(chǎn)生銹蝕的原因

鑒于以上的分析，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)有針對(duì)性地檢查，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生銹蝕附近的個(gè)別齒壓板上的螺帽松動(dòng)，鐵芯銹蝕處的壓指與鐵芯沖片之間有縫隙，最小為0.5mm，最大為1.2mm，而無(wú)銹蝕之處的壓指與扇形片之間非常嚴(yán)實(shí)，因此，可斷定鐵芯齒部表面銹蝕的產(chǎn)生，是由于鐵芯沖片在安裝時(shí)工藝不嚴(yán)謹(jǐn)，投入運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，在機(jī)械力、電磁力和機(jī)械震動(dòng)等的作用下，導(dǎo)致定子鐵芯局部松動(dòng)所產(chǎn)生的。在實(shí)際工作中有些機(jī)組定子槽楔附近鐵芯上的銹蝕，可能是酚醛層壓布板槽楔磨損后產(chǎn)生的，應(yīng)注意與鐵芯銹蝕相區(qū)別。另外，通過(guò)高壓電氣試驗(yàn)檢測(cè)，電阻溫度計(jì)絕緣良好，定子繞組無(wú)短路現(xiàn)象，因此，可排除電阻溫度計(jì)絕緣損壞和定子繞組短路引起鐵芯故障的可能性。

3 處理方法及效果

3.1 處理方法

（1）先用0.3mm厚的絕緣板制成的刮刀將鐵芯表面的銹斑完全清除，然后用毛刷仔細(xì)刷凈，再用干燥的壓縮空氣吹掃干凈。

（2）用無(wú)水乙醇將清除銹蝕后的鐵芯表面清掃干凈并烘干。

（3）在鐵芯沖片間插入用環(huán)氧樹(shù)脂黏合劑浸漬的薄云母片或環(huán)氧玻璃布片，灌入同一牌號(hào)的液體絕緣漆。

（4）退出銹蝕部位的槽楔，用磨成窄而薄的專(zhuān)門(mén)的鋼片把齒撬開(kāi)，在撬開(kāi)的縫隙塞入黏滿(mǎn)黏合劑的楔片，使鐵芯緊固。

（5）齒壓板上松動(dòng)的螺帽用電焊點(diǎn)焊緊固。

3.2 處理后達(dá)到的效果

有效鐵芯整體或部分松動(dòng)，都屬于不正?，F(xiàn)象，必須予以消除。有效鐵芯壓裝普遍變松的情況是很少見(jiàn)的，解決這種變松的問(wèn)題，需要根據(jù)每一具體情況，具體地加以解決。應(yīng)該指出，用緊壓圈壓緊鐵芯的方法是不允許的，因?yàn)檫@種方法存在損壞定子繞組絕緣的危險(xiǎn)。另外，在緊壓圈上加附加壓力時(shí)，只能使很短的一段鐵芯疊片壓緊，所以通常都達(dá)不到預(yù)期的目的。本次采用鐵芯局部處理的方法，發(fā)電機(jī)組檢修后投入運(yùn)行良好。經(jīng)過(guò)2013年秋檢及2014年春檢兩次C級(jí)檢修，檢修人員進(jìn)行了嚴(yán)格檢查，未發(fā)現(xiàn)類(lèi)似的銹蝕現(xiàn)象發(fā)生，說(shuō)明本次處理定子鐵芯局部松動(dòng)的方法是成功的。

許多事故的發(fā)生都與電機(jī)設(shè)計(jì)及制造質(zhì)量有關(guān)，同時(shí)，也反映出運(yùn)行維護(hù)方面尚存在不少問(wèn)題，需要大力提高運(yùn)行維護(hù)特別是檢修人員的技術(shù)水平，從而保證發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期安全、經(jīng)濟(jì)、可靠地提供電力。

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陳 平（1982—），男，本科，工程師，主要研究方向：機(jī)電設(shè)備維護(hù)、電機(jī)檢修及卷線安裝。E-mail：chenping-cd@ne.sgcc.com.cn