抽水蓄能電廠發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子典型故障分析

何忠華，周 勇，李 博，楊 溢，龐希斌

（國(guó)網(wǎng)新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410213）

1 引言

抽水蓄能機(jī)組與常規(guī)水電機(jī)組相比較，最主要的特點(diǎn)就是：大容量、高轉(zhuǎn)速、頻繁起停、正反轉(zhuǎn)、啟停快，運(yùn)行工況復(fù)雜，機(jī)組不僅要承受高轉(zhuǎn)速下的高負(fù)荷，而且要承受在起停、正反轉(zhuǎn)過(guò)程中的交變負(fù)荷，工況轉(zhuǎn)換中的沖擊負(fù)荷，因此對(duì)設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)維的要求都非常高。

2 典型缺陷分析

2.1 定子鐵心穿心螺桿缺陷

2.1.1 缺陷描述

A抽水蓄能電廠4號(hào)機(jī)組定子穿心螺桿接地導(dǎo)致鐵心燒損。

2.1.2 原因分析

穿心螺桿絕緣結(jié)構(gòu)不合理。定子穿心螺桿未涂刷絕緣漆，穿心螺桿與絕緣套管配合不當(dāng)，風(fēng)洞內(nèi)存在的粉塵、油霧附著于定子鐵心穿心螺桿及絕緣套管上，致部分鐵心穿心螺桿絕緣值降低。

定子疊片涂刷絕緣漆膜厚度不夠，小于設(shè)計(jì)的8～15 μm厚度，并且漆膜厚度不均勻，降低了定子疊片的絕緣強(qiáng)度，運(yùn)行過(guò)程中定子疊片出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象。

2.2 定子繞組松脫隱患

2.2.1 缺陷描述

B抽水蓄能電廠2號(hào)機(jī)定檢時(shí)發(fā)現(xiàn)定子繞組（下端部底層繞組）與端箍聯(lián)接綁線結(jié)合處存在縫隙、松脫的現(xiàn)象，繞組在運(yùn)行中出現(xiàn)自由振動(dòng)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)和比對(duì)，缺陷主要集中于底層線棒下端箍，即與定子鐵心下齒壓板距離最遠(yuǎn)的一道綁線處，且發(fā)現(xiàn)有附著物的綁線部位通常也存在縫隙，全面清除其表面附著物后部分線棒與綁線接合處可以用0.02 mm塞尺局部塞入，最嚴(yán)重部位是2號(hào)機(jī)組第169槽線棒下端箍部位的綁線已經(jīng)完全松開(kāi)，其中部填充環(huán)氧絳綸已開(kāi)始磨損線棒主絕緣，這說(shuō)明機(jī)組在正常運(yùn)行過(guò)程綁線與線棒出現(xiàn)了磨損，填充環(huán)氧滌綸與綁線失去粘合并出現(xiàn)了自由振動(dòng)。

2.2.2 原因分析

端箍和線棒、支架聯(lián)接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不牢靠：B抽水蓄能電廠發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子線棒端箍自身在安裝時(shí)分4瓣現(xiàn)場(chǎng)組合焊接而成，其外側(cè)由均勻分布的16塊環(huán)氧支撐塊固定、內(nèi)側(cè)靠十字交叉綁扎環(huán)氧玻璃絲帶固化收縮與線棒聯(lián)成整體。從現(xiàn)場(chǎng)鋸開(kāi)已出現(xiàn)松動(dòng)綁線的檢查與分析，安裝時(shí)雖然在端箍與線棒間用環(huán)氧滌綸進(jìn)行了填充，但其僅能作填充而不能將線棒與端箍很好地聯(lián)成整體以減少相對(duì)振動(dòng)與位移。

線棒綁線工藝不合理：①玻璃絲存在未浸透可能，浸泡的時(shí)間越短，未浸透可能性越大；②綁扎手工拉緊時(shí)玻璃絲帶易流膠，散股玻璃絲帶綁扎緊度難以控制、綁扎力度也十分有限。

線棒端部固有頻率測(cè)試及調(diào)整工作考慮不周：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，按原廠家工藝綁扎的線棒其端部固有頻率有近60%～70%落在95～115 Hz共振區(qū)內(nèi)，離散性也很大，這說(shuō)明機(jī)組在正常運(yùn)行時(shí)大部分線棒在共振區(qū)內(nèi)運(yùn)行，再加上線棒與端箍設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理、整體性較差，進(jìn)一步加劇了線棒與端箍間相對(duì)位移及磨損。

2.3 定子繞組電腐蝕現(xiàn)象

2.3.1 缺陷描述

C抽水蓄能電廠定子繞組出現(xiàn)電腐蝕現(xiàn)象，電腐蝕的產(chǎn)生是局部放電達(dá)到一定程度的結(jié)果。通常發(fā)生部位在發(fā)電機(jī)定子線棒槽口、定子鐵心通風(fēng)溝邊緣及定子線棒與槽壁間隙處。電腐蝕的進(jìn)一步發(fā)展，可使絕緣破壞線棒擊穿。

2.3.2 原因分析

安裝工藝問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)安裝人員對(duì)定子線棒下線前的注膠量不一致；設(shè)計(jì)問(wèn)題，線棒之間的半導(dǎo)體墊條表面應(yīng)刷半導(dǎo)體漆來(lái)降低電暈的產(chǎn)生，避免造成定子槽內(nèi)電腐蝕現(xiàn)象。

定子線棒出槽口側(cè)正處于線棒高低阻絕緣交接部位，發(fā)電機(jī)內(nèi)部由于油污較多，從而造成線棒受油污長(zhǎng)期浸泡，使得線棒出槽口處表面絕緣漆溶解脫落后又進(jìn)一步損傷到了防暈層，而線棒出槽口處部位電場(chǎng)相對(duì)比較集中，從而產(chǎn)生了電暈，造成出槽口電腐蝕。

2.4 定子繞組相間短路

2.4.1 缺陷描述

D抽水蓄能電廠4號(hào)機(jī)組發(fā)生定子短路故障。

本次故障首先發(fā)生了單相接地，其后，在極短的時(shí)間內(nèi)擴(kuò)展為二相、三相短路。

2.4.2 原因分析

發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)采用接地變加接地電阻方式，單相接地電流較大，超過(guò)了GB/T 14285-2006中表1，“關(guān)于定子繞組單相接地故障電流允許值1～2 A”的要求，是故障擴(kuò)大的原因之一。

因電流密度和熱負(fù)荷設(shè)計(jì)值較大，為解決溫升問(wèn)題，福伊特公司在D抽水蓄能電廠發(fā)電機(jī)線棒端部絕緣處理方式設(shè)計(jì)上采取了使用開(kāi)放式絕緣盒。該方式抵抗因運(yùn)行環(huán)境（如水、油污、粉塵、導(dǎo)電物質(zhì)等）不良而引發(fā)短路故障的能力較差，是導(dǎo)致D抽水蓄能電廠“9.22”發(fā)電機(jī)故障擴(kuò)大的原因。

3 對(duì)策建議

3.1 定子鐵心穿心螺桿缺陷

3.1.1 規(guī)劃設(shè)計(jì)

建議定子鐵心穿心螺桿設(shè)計(jì)宜采用全絕緣結(jié)構(gòu)。

定子鐵心齒壓指應(yīng)采用非磁性材料。

建議設(shè)計(jì)單位將發(fā)電（電動(dòng)）機(jī)定子穿心螺桿全絕緣設(shè)計(jì)列入到發(fā)電（電動(dòng)）機(jī)通用設(shè)計(jì)中。

3.1.2 制造安裝

設(shè)備制造廠應(yīng)采用與穿心螺桿相配套的絕緣套管，若采用分段絕緣結(jié)構(gòu)，安裝單位在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)應(yīng)采取可靠措施防止雜物進(jìn)入穿心螺栓和鐵心間造成穿心螺桿絕緣下降。

定子鐵心疊片現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行分段壓緊和整體壓緊時(shí)建設(shè)單位應(yīng)嚴(yán)格按照《GB/T 8564-2003水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》中9.3.7定子鐵心疊片相關(guān)要求、9.3.8定子鐵心壓緊的相關(guān)要求和9.3.10定子鐵心組裝后的相關(guān)要求規(guī)定進(jìn)行，其鐵心圓度，疊片預(yù)緊高度、次數(shù)，穿心螺桿壓緊力，鐵心試驗(yàn)前、后穿心螺桿對(duì)地絕緣，上、下齒壓板安裝應(yīng)嚴(yán)格按此規(guī)定進(jìn)行。

3.1.3 運(yùn)維管理

建議定子鐵心采用穿心螺桿的機(jī)組，應(yīng)定期測(cè)量定子鐵心螺桿與鐵心間的絕緣，發(fā)現(xiàn)不符合規(guī)范要求值時(shí)應(yīng)及時(shí)處理。

建議定期檢查定子鐵心螺桿壓緊力，發(fā)現(xiàn)鐵心螺桿壓緊力不符合出廠設(shè)計(jì)值時(shí)應(yīng)及時(shí)處理。

建議定子鐵心采用分段絕緣套管結(jié)構(gòu)的電站，將發(fā)電機(jī)定子鐵心穿心螺桿改造列入技改項(xiàng)目中。合理安排檢修時(shí)間，與設(shè)計(jì)和建設(shè)單位協(xié)作將分段絕緣改造為全絕緣結(jié)構(gòu)。

3.2 定子繞組松脫隱患

3.2.1 規(guī)劃設(shè)計(jì)

定子線棒上、下端部均應(yīng)設(shè)置支撐環(huán)，其材質(zhì)為非磁性材料，用于連接和固定線棒上、下端部，防止機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中定子線棒端部振動(dòng)引起絕緣損傷。長(zhǎng)鐵心機(jī)組其端部支撐應(yīng)具有應(yīng)對(duì)線棒熱膨脹的措施。

定子線棒上、下端箍與支架連接方式應(yīng)可靠，剛度滿足蓄能機(jī)組要求，避開(kāi)定子線棒固有振動(dòng)頻率。

3.2.2 制造安裝

現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)建設(shè)單位應(yīng)嚴(yán)格按照《GB/T8564-2003水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》定子裝配中9.3.11～9.3.17各項(xiàng)規(guī)定進(jìn)行。

定子線棒裝配人員一定要有相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，嚴(yán)格把控定子繞組裝配流程。

3.2.3 運(yùn)維管理

額定轉(zhuǎn)速300 r/min及以上的水輪發(fā)電機(jī)宜定期按照GB/T20140的要求進(jìn)行定子端部動(dòng)態(tài)特性和振動(dòng)試驗(yàn)，例如繞組緊度檢查、繞組端部振動(dòng)檢測(cè)、松動(dòng)的槽楔檢查、定子繞組直流耐壓和泄漏電流測(cè)試、定子槽部線圈防暈層對(duì)地電位測(cè)量、起暈試驗(yàn)等。線棒端部的固有頻率應(yīng)盡量避開(kāi)95～115 Hz的共振區(qū)。有條件的單位可安裝端部振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

C、D級(jí)檢修中需重點(diǎn)檢查定子繞組槽楔和端部固定塊固定情況、檢查是否有振動(dòng)磨損產(chǎn)生的粉末（或油泥）沉積。

3.3 定子繞組電腐蝕現(xiàn)象

3.3.1 規(guī)劃設(shè)計(jì)

定子繞組絕緣應(yīng)采用真空壓力浸漬或加熱模壓固化工藝成型。其端部絕緣應(yīng)采用防暈層與主絕緣一次成型的結(jié)構(gòu)和工藝。

優(yōu)化定子線棒防暈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇。

3.3.2 制造安裝

定子繞組在槽內(nèi)應(yīng)緊固，定子槽部線圈防暈層對(duì)地電位或?qū)Φ仉娮铚y(cè)試應(yīng)符合要求。

定子設(shè)備出廠前應(yīng)進(jìn)行定子線圈股線間耐壓試驗(yàn)、定子線圈槽部表面電阻試驗(yàn)、定子線圈冷熱狀態(tài)的介質(zhì)損耗角正切及其常態(tài)增量測(cè)定、起暈電壓測(cè)定、定子線圈工頻擊穿電壓試驗(yàn)、定子線圈工頻耐壓試驗(yàn)等，結(jié)果應(yīng)合格。

3.3.3 運(yùn)維管理

建議機(jī)組C級(jí)和D級(jí)檢修中檢查定子繞組端部，不應(yīng)有下沉、松動(dòng)、磨損或較嚴(yán)重的電腐蝕現(xiàn)象。對(duì)出現(xiàn)電腐蝕情況應(yīng)及時(shí)處理，對(duì)于電腐蝕只損傷防暈層的線棒，對(duì)其表面清理后，涂刷高阻防暈漆；對(duì)于電腐蝕嚴(yán)重，絕緣損傷較深的線棒，先使用無(wú)溶劑室溫固化膠填充絕緣損傷處，干燥后再使用高阻防暈漆涂刷表面。

投運(yùn)20年及以上的水輪發(fā)電機(jī)組在大修時(shí)應(yīng)按DL/T492規(guī)定的方法進(jìn)行定子繞組絕緣老化鑒定。

推薦開(kāi)展紫外線攝像檢測(cè)分析。

3.4 定子繞組相間短路

3.4.1 規(guī)劃設(shè)計(jì)

抽水蓄能機(jī)組線棒端部絕緣設(shè)計(jì)采用全封閉絕緣方式。

新機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)程要求進(jìn)行線棒抗短路能力設(shè)計(jì)，防止外部設(shè)備短路時(shí)，線圈失穩(wěn)變形導(dǎo)致事故擴(kuò)大。

對(duì)大容量機(jī)組中性點(diǎn)接地方式進(jìn)行研究，討論中性點(diǎn)接地變副方接消弧線圈的可行性，將單相接地電流限制在（GB/T 14285-2006）規(guī)定的單相接地安全（允許）值1～2 A范圍內(nèi)。

發(fā)電電動(dòng)機(jī)風(fēng)洞內(nèi)二次測(cè)量引線 應(yīng)設(shè)計(jì)在外風(fēng)洞側(cè)；空冷器供排水管路設(shè)計(jì)為不銹鋼材質(zhì)，采取可靠措施進(jìn)行防護(hù)，消除漏水滲水隱患。

3.4.2 制造安裝

新機(jī)組安裝時(shí)，發(fā)電機(jī)線棒端部絕緣處理應(yīng)嚴(yán)格按照工藝標(biāo)準(zhǔn)施工，施工措施及技術(shù)要求需經(jīng)制造廠督導(dǎo)人員的確認(rèn)，施工后應(yīng)經(jīng)施工單位、廠家督導(dǎo)、監(jiān)理（如有）、業(yè)主多方驗(yàn)收確認(rèn)。定子設(shè)備出廠前應(yīng)進(jìn)行定子線圈股線間耐壓試驗(yàn)、定子線圈槽部表面電阻試驗(yàn)、定子線圈冷熱狀態(tài)的介質(zhì)損耗角正切及其常態(tài)增量測(cè)定、起暈電壓測(cè)定、定子線圈工頻擊穿電壓試驗(yàn)、定子線圈工頻耐壓試驗(yàn)等，結(jié)果應(yīng)合格。

3.4.3 運(yùn)維管理

定子線棒端部清掃列入D級(jí)及以上檢修的標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目，每次檢修均組織人員對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)清掃和檢查，此外還計(jì)劃結(jié)合檢修對(duì)風(fēng)洞內(nèi)部地面和墻壁進(jìn)行治理，減小粉塵的產(chǎn)生，進(jìn)一步提升發(fā)電機(jī)內(nèi)部的清潔度。

4 結(jié)語(yǔ)

抽水蓄能電站近幾年發(fā)展迅速，在電網(wǎng)事故備用、調(diào)峰調(diào)頻中起到重要作用。發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子結(jié)構(gòu)各電站的設(shè)計(jì)大同小異，并且直接影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。本文對(duì)抽水蓄能電站定子典型缺陷進(jìn)行了分析，并提出對(duì)策和建議，為其他電站提供了有益參考。