大型水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心端部竄片故障分析及改進(jìn)措施

張志勇，李志鵬，劉小云，張小東，胡曉芬

（1.長沙理工大學(xué)，湖南 長沙 410114；2.五凌電力三板溪水電廠，貴州 錦屏 556500）

大型水電廠在電力系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)調(diào)峰調(diào)頻和事故備用的重要任務(wù)，必須保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。由于水輪發(fā)電機(jī)連續(xù)多年的運(yùn)行，以及其它各種因素的影響，將導(dǎo)致定子鐵心壓緊力逐漸減小，甚至發(fā)生松動(dòng)、竄片現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，研究水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心松動(dòng)、竄片原因及改進(jìn)、預(yù)防措施，對(duì)保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。三板溪電廠位于沅江上游清水江，安裝4臺(tái)255MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，保證出力235MW，年發(fā)電量24.28億kWh，電廠于2006年投產(chǎn)發(fā)電。機(jī)組由哈爾濱電機(jī)廠生產(chǎn)，發(fā)電機(jī)型號(hào)是SF255-36/10200。2016年8月22日，三板溪3號(hào)發(fā)電機(jī)定子鐵心下端硅鋼片竄出，發(fā)生金屬性接地；對(duì)其他三臺(tái)機(jī)組檢查，發(fā)現(xiàn)1號(hào)、2號(hào)發(fā)電機(jī)定子鐵心也存在同樣問題。經(jīng)研究，確定故障原因，通過改進(jìn)定子鐵心硅鋼片結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)端片的整體性、改善定子鐵心硅鋼片疊裝工藝流程等新的技術(shù)，徹底解決定子鐵心端部硅鋼片竄出的重大問題。

1 定子鐵心故障情況

2016年8月22日，三板溪3號(hào)發(fā)電機(jī)定子A相發(fā)生接地，檢查發(fā)現(xiàn)定子鐵心下端部硅鋼片竄出，最大8毫米，切入下層線棒，導(dǎo)致發(fā)生線棒金屬性接地。電廠對(duì)其他三臺(tái)機(jī)組檢查，發(fā)現(xiàn)1號(hào)、2號(hào)機(jī)定子鐵心下端部硅鋼片均存在不同程度的竄出，其中3號(hào)機(jī)最為嚴(yán)重，2號(hào)機(jī)次之，1號(hào)機(jī)最輕。

（1）3號(hào)發(fā)電機(jī)鐵心故障情況：3號(hào)機(jī)最下層硅鋼片竄出部位基本位于28號(hào)、11號(hào)硅鋼片之間，即面向電廠下游方向，最下層硅鋼片竄出部位基本位于定子鐵心左半部分。共有24片滑移竄出，其中有8片竄出量大于4mm。具體分布如圖1。

圖1 3號(hào)機(jī)定子鐵心竄出硅鋼片分布圖

（2）2號(hào)發(fā)電機(jī)鐵心故障情況：與3號(hào)機(jī)組相比，2號(hào)機(jī)定子鐵心最下層硅鋼片絕大部分已竄出，并且部位呈無規(guī)律狀態(tài)。具體分布如圖2。

圖2 2號(hào)機(jī)定子鐵心竄出硅鋼片分布圖

（3）1號(hào)發(fā)電機(jī)鐵心故障情況：1號(hào)機(jī)定子鐵心最下層9片硅鋼片存在竄出情況，分布在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)至出口部位，最大竄出量不超過2mm。具體分布如圖3。

圖3 1號(hào)機(jī)定子鐵心竄出硅鋼片分布圖

（4）故障照片（圖4～圖9）。

圖4 定子鐵心槽內(nèi)定子硅鋼片突出

圖5 定子鐵心槽口硅鋼片突出

圖6 穿心螺桿絕緣套被切穿

圖7 定子硅鋼片切割定子線棒部位深度

圖8 穿心螺桿孔卷曲變形

圖9 鴿尾卷曲變形

2 定子鐵心故障原因分析

2.1 定子鐵心設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

三板溪發(fā)電機(jī)定子鐵心的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為常規(guī)結(jié)構(gòu)。定子機(jī)座采用常規(guī)的大齒壓板結(jié)構(gòu)，有效保證機(jī)座的整體剛度和鐵心的波浪度；定位筋采用雙鴿尾浮動(dòng)定位筋，可有效避免鐵心翹曲，保證線圈絕緣安全可靠；鐵心壓緊采用穿心螺桿的典型結(jié)構(gòu)；鐵心硅鋼片端部采用粘接技術(shù)，保證鐵心端部整體性，有效防止沖片逸出。

這種定子鐵心設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是發(fā)電設(shè)備制造廠通常采用的常規(guī)結(jié)構(gòu)，例如白山、白色、洪家渡、索風(fēng)營等電廠，以上電廠均已發(fā)電10年以上，至今運(yùn)行穩(wěn)定。

2.2 定子鐵心端部竄片的形成

由于機(jī)組在多次起、停機(jī)時(shí)鐵心溫度發(fā)生變化，定子機(jī)座與鐵心之間存在溫差，鐵心和機(jī)座徑向膨脹程度不同，定子鐵心端部硅鋼片與齒壓片間的摩擦力大于其相鄰硅鋼片間的摩擦力，造成最下端硅鋼片產(chǎn)生位移。

按設(shè)計(jì)理念，端部硅鋼片工地安裝時(shí)需要粘接成整體，硅鋼片間粘接后的抗剪切力大于最下端硅鋼片與下端齒壓片之間的摩擦力，所以鐵心與機(jī)座間的滑移將發(fā)生在最下端硅鋼片與下端齒壓片間。如端部硅鋼片安裝時(shí)粘接質(zhì)量不好、粘接面積不夠，機(jī)組長期運(yùn)行后，硅鋼片間的抗剪切力小于齒壓片與端片之間的摩擦力，導(dǎo)致滑移發(fā)生在端片之間。在多次起停機(jī)引起的熱脹冷縮作用下，使端片向內(nèi)或外移造成端片竄動(dòng)。定子鐵心壓緊結(jié)構(gòu)及熱膨脹時(shí)受力狀態(tài)詳見圖10。

圖10 定子鐵心壓緊結(jié)構(gòu)及熱膨脹時(shí)受力狀態(tài)

2.3 定子鐵心端片竄出的原因分析

（1）端片粘接不牢。端片粘接不牢的后果：端片整體性無法保證，沖片間的抗剪切力大大降低，使沖片間的抗剪切力小于端片與壓指間摩擦力，造成片間滑移。造成端片粘接不牢的原因如下：膠的使用方法、控制檢測(cè)不完善。膠涂刷面積及環(huán)境溫度對(duì)膠粘接后強(qiáng)度影響較大，膠固化時(shí)間受安裝間環(huán)境溫度影響較大，在壓緊前已固化，粘接后的端片間的粘接強(qiáng)度不夠。

（2）鐵心壓緊度不夠是否有影響。鐵心壓緊度不夠引起的后果：壓力無法傳遞到下端，使小齒壓板側(cè)緊，大齒壓板側(cè)松，導(dǎo)致鐵心整體緊度不好，尤其是大齒壓板側(cè)端片的整體性差。大齒壓板側(cè)鐵心整體性差或松動(dòng)，會(huì)引起鐵心翹曲、振動(dòng)及噪音。嚴(yán)重的翹曲也可能會(huì)使粘接端片層間分離，造成沖片間的摩擦力減小，如硅鋼片間的摩擦力小于端片與壓指間摩擦力并相差較大時(shí)，即使硅鋼片鴿尾也無法限制硅鋼片間出現(xiàn)滑移。由于三板溪機(jī)組未曾發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重鐵心翹曲，鐵心壓緊度不夠與端片竄出無直接關(guān)系。

（3）浮動(dòng)定位筋是否是誘因。為防止鐵心翹曲，哈電機(jī)組傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用托塊與鴿尾筋之間留有熱膨脹間隙，以適應(yīng)鐵心與機(jī)座間由于溫度不同造成熱膨脹程度不同。此種結(jié)構(gòu)型式稱為浮動(dòng)定位筋結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)已應(yīng)用了近20年。采用浮動(dòng)定位筋，適應(yīng)了鐵心與機(jī)座溫度不同熱膨脹程度不同的需要，即鐵心與機(jī)座間存在滑動(dòng)。為避免端片與硅鋼片間產(chǎn)生滑動(dòng)，保證端片與硅鋼片間剪切力（粘接后）大于端片與壓指間摩擦力，采取從硅鋼片起始36片硅鋼片整體粘接的措施，計(jì)算和試驗(yàn)表明這項(xiàng)措施可以保證端片不發(fā)生逸出。萬家寨發(fā)電機(jī)采用的是固定鴿尾筋，在運(yùn)行10年后，有一臺(tái)也出現(xiàn)了端片竄片現(xiàn)象。所以采用浮動(dòng)定位筋結(jié)構(gòu)與端片竄出無關(guān)。

（4）大齒壓板結(jié)構(gòu)鐵心壓緊的效果是否不如小齒壓板結(jié)構(gòu)。大齒壓板結(jié)構(gòu)方便水平的調(diào)整，有利于鐵心壓緊，并能改善鐵心的波浪度，鐵心裝壓的工藝性好于小齒壓板。基于大齒壓板結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，20多年前開始廣泛應(yīng)用，并且小齒壓板的結(jié)構(gòu)基本被棄用。但是如果發(fā)生定位筋卡片時(shí)，大齒壓板端鐵心存在不易壓緊的缺點(diǎn)。所以采用大齒壓板時(shí)，定位筋掛裝的精度、預(yù)壓的效果就非常重要。上、下端均采用小齒壓板的結(jié)構(gòu)有利于上、下端部的壓緊，但鐵心的波浪度和下端壓板水平的調(diào)整將非常困難，兩種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)。如果只從端部壓緊的效果看，小齒壓板有一定的優(yōu)勢(shì)。哈電的白山4號(hào)、5號(hào)機(jī)的定子采用小齒壓板和無間隙的鴿尾筋結(jié)構(gòu)，運(yùn)行30年后出現(xiàn)了端片突出的情況。從各類機(jī)組的事故現(xiàn)象分析，在保證鐵心裝配要求的前提下，兩種齒壓板結(jié)構(gòu)技術(shù)上均可行，大小齒壓板結(jié)構(gòu)與端片竄出無關(guān)。

（5）機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)對(duì)定子端片竄片的影響。三板溪首臺(tái)機(jī)組發(fā)電至今已近10 年，機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)峰任務(wù)，啟停次數(shù)頻繁。本次發(fā)生定子接地事故的是3號(hào)發(fā)電機(jī)，該機(jī)組事故前為三板溪電站運(yùn)行狀態(tài)最好，啟停次數(shù)最多的機(jī)組。機(jī)組發(fā)電已10年，定子鐵心較最初發(fā)電時(shí)已發(fā)生松動(dòng)，鐵心整體性下降，長時(shí)間運(yùn)行后，端部沖片整體粘接效果下降，機(jī)組頻繁啟停在一定程度上會(huì)加速端片滑移的幾率，但如粘接質(zhì)量好，可保證機(jī)組在各種工況下安全運(yùn)行（如表1）。

表1 三板溪機(jī)組發(fā)電運(yùn)行時(shí)間（截至2016.8.22）

2.4 結(jié)論

綜上所述，可得出下面結(jié)論：第一，機(jī)組所采用的結(jié)構(gòu)為哈電和其他國外公司的傳統(tǒng)、成熟結(jié)構(gòu)，與定子端片竄出問題無因果關(guān)系。第二，由于已出現(xiàn)問題的三板溪未曾發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重鐵心翹曲，鐵心壓緊度不夠與端片竄出無直接關(guān)系。第三，浮動(dòng)定位筋結(jié)構(gòu)、大小齒壓板結(jié)構(gòu)型式與端片竄出無關(guān)。第四，定子鐵心端片竄出的直接原因是：定子端片粘結(jié)失效、端片抗變形失穩(wěn)能力下降。由于“端片粘接失效”，緊靠壓指的扇形片，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)鐵心熱膨脹、停機(jī)后冷收縮的反復(fù)作用下，當(dāng)扇形片與壓指間的摩擦力大于該片與相鄰端片的摩擦力時(shí)，發(fā)生扇形片不隨定子鐵心整體位移的問題，即發(fā)生竄片。另外，定子鐵心“端片抗變形失穩(wěn)能力下降”，在定子鐵心長期運(yùn)行松動(dòng)，片間存在間隙的情況下，造成鴿尾變形、端片位移。

3 定子鐵心改進(jìn)措施

3.1 總體思路

針對(duì)故障原因，采取改進(jìn)定子鐵心硅鋼片結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)端片的整體性、降低端片與壓指的摩擦系數(shù)、改善定子鐵心硅鋼片疊裝工藝流程等新技術(shù)，消除定子鐵心端部硅鋼片滑移竄出的設(shè)備隱患。

3.2 實(shí)施方案

“定子端片粘結(jié)失效、端片抗變形失穩(wěn)能力下降”是三板溪電廠定子鐵心硅鋼片竄出的主要原因。

（1）為解決“端片抗變形失穩(wěn)能力下降”，重新設(shè)計(jì)定子鐵心端部階梯段硅鋼片，一是硅鋼片鴿尾槽由半閉口改為閉口，二是在硅鋼片軛部增加絕緣銷，從單片結(jié)構(gòu)上增加抗變形失穩(wěn)能力。

①將硅鋼片半閉口鴿尾槽（圖11）改為閉口鴿尾槽（圖12），可顯著提升“端片抗變形失穩(wěn)能力”，從而避免半閉口鴿尾槽卷曲，鐵心定位筋對(duì)硅鋼片限位能力失效。

②在定子鐵心兩端第一段硅鋼片（包括基本片和階梯片）每片軛部均勻布置3個(gè)φ20銷孔（圖13、14），配合安裝材質(zhì)為“環(huán)氧層壓玻璃布棒”的絕緣銷，進(jìn)一步增加端片抗變形失穩(wěn)能力。

圖11 半閉口鴿尾槽

圖12 閉口鴿尾槽

圖13 硅鋼片軛部加裝定位銷

圖14 硅鋼片軛部加裝定位銷

（2）為解決“定子端片粘結(jié)失效”，要求定子鐵心端部階梯片每6片在制造廠內(nèi)熱壓粘接成一體，工地疊片時(shí)再進(jìn)行摞間粘接。端部定子硅鋼片的每6片在制造廠通過機(jī)械設(shè)備熱壓粘接成整體，避免了現(xiàn)場安裝時(shí)端片人工刷膠不均的工藝風(fēng)險(xiǎn)，保證單片之間粘接牢固?，F(xiàn)場安裝時(shí)之需將每摞端片間錯(cuò)1/2進(jìn)行疊裝，摞間使用硅鋼片專用粘接膠粘接，粘接面積不小于80%（圖15）。

圖15 每摞端片間錯(cuò)1/2疊裝方式

（3）為進(jìn)一步提升定子鐵心整體性及絕緣性能，采取了在上、下壓指與硅鋼片之間涂抹二硫化鉬潤滑劑，改變鐵心預(yù)壓方式和固定方式，改變穿心螺桿絕緣方式的新技術(shù)，保證了定子鐵心端部硅鋼片滑移竄出隱患徹底消除。①定子疊裝前，在壓指與第一層端部沖片之間均勻涂一層二硫化鉬，以降低壓指與第一層定子硅鋼片之間的摩擦系數(shù)，進(jìn)而減小摩擦力，有利于使定子鐵心整體滑動(dòng)。②將鐵心預(yù)壓方式由原來風(fēng)動(dòng)扳手?jǐn)Q緊分段預(yù)壓改為螺栓拉伸器分段預(yù)壓，疊片受力更加均勻。③將定子鐵心穿心螺桿固定方式由“自鎖六角螺母+碟形彈簧”更換為“圓螺母+鎖定薄螺母+碟形彈簧”方式，防止機(jī)組長期運(yùn)行后定子鐵心松動(dòng)。④定子鐵心穿心螺桿絕緣方式由分段式絕緣襯套改為全纏繞絕緣套筒結(jié)構(gòu)，并在穿心螺桿端部增加絕緣螺帽，增加了穿心螺桿絕緣性能。

4 結(jié)語

2017年3月、5月，三板溪3號(hào)、2號(hào)發(fā)電機(jī)分別完成大修改造工作，各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)合格，檢修后一次開機(jī)并網(wǎng)成功，主設(shè)備各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)優(yōu)于檢修前數(shù)據(jù)。兩臺(tái)機(jī)組經(jīng)過數(shù)月的運(yùn)行檢驗(yàn)并經(jīng)歷了主汛期連續(xù)20幾天的滿發(fā)考驗(yàn)，運(yùn)行指標(biāo)優(yōu)良、穩(wěn)定可靠。大型水輪發(fā)電機(jī)組定子鐵心新技術(shù)已在三板溪電廠3號(hào)、2號(hào)機(jī)定子改造中成功應(yīng)用。