某660 MW 大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒股線斷裂原因分析

（浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 蘭溪 321100）

0 引言

發(fā)電機(jī)定子端部繞組在運(yùn)行時(shí)受到交變電磁力的作用會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)。發(fā)電機(jī)端部繞組屬于懸臂梁結(jié)構(gòu)，處于發(fā)電機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)薄弱位置。發(fā)電機(jī)端部繞組的振動(dòng)主要受兩方面的影響：端部繞組受到的電磁力與發(fā)電機(jī)所帶的負(fù)荷，或者說(shuō)通過(guò)的電流有關(guān)；同時(shí)與端部的磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。發(fā)電機(jī)振動(dòng)的固有頻率和端部綁扎結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，綁扎位置和綁扎力的大小，以及端部繞組的質(zhì)量對(duì)端部繞組運(yùn)行時(shí)的振幅影響很大。有的發(fā)電機(jī)出口發(fā)生過(guò)短路故障，發(fā)電機(jī)受到大電流沖擊，會(huì)嚴(yán)重傷害發(fā)電機(jī)定子繞組端部固定結(jié)構(gòu)[1-2]。

因發(fā)電機(jī)端部松動(dòng)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)定子繞組磨損的案例較多[3-13]，而引起定子線棒股線斷裂的案例卻非常少見，屬于非常偶然的事件[14-15]。本文對(duì)某660 MW 發(fā)電機(jī)因端部振動(dòng)引起定子線棒股線斷裂的案例進(jìn)行分析，以期為此類缺陷的預(yù)防和分析提供參考。

1 發(fā)電機(jī)概況

某發(fā)電廠3 號(hào)發(fā)電機(jī)為日立公司生產(chǎn)的QFSN-600-2-22C 型汽輪發(fā)電機(jī)，2006 年5 月出廠，2006 年12 月投運(yùn)。在正常運(yùn)行8 年后，于2014年進(jìn)行增容改造，額定容量由600 MW 增至660 MW。增容時(shí)未更換定子繞組，對(duì)定子所做的改造包括：更換定子繞組槽內(nèi)固定件，由斜槽楔緊固方式改為斜槽楔加波紋板結(jié)構(gòu)的緊固方式；在定子繞組鼻端加墊塊對(duì)端部進(jìn)行加固處理。

3 號(hào)發(fā)電機(jī)定子線圈采用雙層疊繞組，共有84（42×2）根線棒。定子繞組端部設(shè)有特殊的支撐系統(tǒng)，用浸膠滌玻繩綁扎固定在由玻璃鋼支架和綁環(huán)組成的端部固定件上后進(jìn)行烘焙固化，使整個(gè)端部在徑向和周向上為剛性固定，確保端部固有頻率遠(yuǎn)離倍頻，避免運(yùn)行中發(fā)生共振。

3 號(hào)發(fā)電機(jī)采用水氫氫冷卻方式，即定子線棒（包括定子引線）直接水冷，定子出線氫內(nèi)冷。冷卻水從勵(lì)端的匯流管和絕緣引水管并通過(guò)線棒端頭的水接頭進(jìn)入線圈，冷卻線圈后再經(jīng)過(guò)汽端的絕緣引水管和匯流管排入外部水系統(tǒng)。

2 缺陷概況

2018 年3 月，3 號(hào)機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定冷水箱氫含量超標(biāo)，根據(jù)24 h 氣體壓力升高量折算，內(nèi)冷水系統(tǒng)每天漏氫量約為0.6 m3，隨后立即安排停機(jī)檢查。檢查時(shí)采用水壓0.6 MPa，同時(shí)對(duì)定子端部手包絕緣施加直流電壓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)22 號(hào)、23 號(hào)槽手包絕緣處泄漏電流嚴(yán)重超標(biāo)，同時(shí)22 號(hào)槽出現(xiàn)滴水現(xiàn)象，手包絕緣拆除的線棒為缺陷線棒（如圖1 所示）。將故障部位絕緣材料剝離后，發(fā)現(xiàn)22 號(hào)槽上層線棒汽端靠近端部R處內(nèi)圓有一股空心導(dǎo)線和一股實(shí)心導(dǎo)線斷裂，另有一股實(shí)心導(dǎo)線出現(xiàn)明顯裂紋（如圖2 所示）。

圖1 定子線棒故障部位

3 定子線棒股線材料失效分析

3.1 宏觀檢查

拆除手包絕緣后，發(fā)現(xiàn)銅導(dǎo)線斷裂處位于線棒汽端靠近漸開線端部R 處內(nèi)圓位置距水盒子約10 cm 處（見圖3），該處可能還存在結(jié)構(gòu)應(yīng)力。宏觀檢查發(fā)現(xiàn)共有3 根銅導(dǎo)線斷裂或開裂，幾乎位于同一個(gè)地方，包括最外側(cè)1 根實(shí)芯扁銅線（斷裂位置1）和相鄰1 根空芯方銅線（斷裂位置2）完全斷裂，另外與斷裂的空芯方銅線相鄰的內(nèi)側(cè)實(shí)芯扁銅線（開裂位置3）存在開裂約3/4 的裂紋。

圖3 銅導(dǎo)線斷裂局部形貌

3.2 橫截面尺寸測(cè)量

使用體式顯微鏡分別對(duì)實(shí)心和空心銅導(dǎo)線橫截面尺寸進(jìn)行測(cè)量。實(shí)心銅導(dǎo)線橫截面長(zhǎng)、寬分別約6 mm 和2.14 mm，空心銅導(dǎo)線橫截面長(zhǎng)、寬分別約5.99 mm 和4.55 mm，長(zhǎng)側(cè)壁厚約1.26 mm，寬側(cè)壁厚約1.22 mm。

3.3 化學(xué)成分分析

對(duì)實(shí)心銅導(dǎo)線及空心銅導(dǎo)線表面進(jìn)行打磨至呈現(xiàn)金屬光澤以去除表面雜質(zhì)，根據(jù)YST 482—2005《銅及銅合金分析方法光電發(fā)個(gè)光譜法》標(biāo)準(zhǔn)，用ARL4460 直讀光譜儀對(duì)其進(jìn)行化學(xué)元素定量分析，結(jié)果如表1 所示。其中，空心銅導(dǎo)線基本滿足JB/T 10415.1—2016《發(fā)電機(jī)液體內(nèi)冷空心導(dǎo)線 第1 部分：銅空心導(dǎo)線》中關(guān)于無(wú)氧銅的化學(xué)成分要求。

3.4 斷口形貌分析

3.4.1 開裂位置3（試樣3）斷口形貌

將從線棒R 內(nèi)圓表面起開裂至3/4 位置的裂紋3 拉斷，并對(duì)試樣3 斷面進(jìn)行觀察?？梢钥闯?，在斷面一側(cè)存在明顯的點(diǎn)狀裂紋源，說(shuō)明裂紋由此開始起源，并逐漸向內(nèi)部擴(kuò)展。裂紋源附近斷口顏色較深。通過(guò)蔡司Evo-18 高倍顯微鏡觀察，該區(qū)域斷口較為粗糙，存在一定的韌窩狀；能譜分析發(fā)現(xiàn)斷面存在雜質(zhì)，其中Ca 的氧化物可能為絕緣云母。斷口中間大部分區(qū)域顏色較淺，該區(qū)域?yàn)樗毫褷顢嗫诨蜓鼐嗫?，斷口表面粗糙，可能跟塑性較高有關(guān)系；該區(qū)域所受雜質(zhì)污染較小，能譜分析除了C，O 之外基本為Cu 元素。

表1 銅導(dǎo)線化學(xué)成分

3.4.2 斷裂位置2（試樣2）斷口形貌

從整體來(lái)看，斷口一側(cè)的右半部分呈深色，另一側(cè)的左半部分呈淺色。一邊斷口凹凸不平，表面覆蓋了一層腐蝕產(chǎn)物。斷口中部位置表面也凹凸不平，深色區(qū)域表面布滿瑣碎顆粒，淺色區(qū)域表面存在規(guī)則片狀六邊形或針狀顆粒，能譜分析主要為Cu，O 元素。另外，斷口局部位置（右上角、左下角）存在一定的摩擦損傷。

3.4.3 斷裂位置1（試樣1）斷口形貌

開裂位置1 的樣品從整體來(lái)看，斷口一側(cè)呈深色，另一側(cè)呈淺色。對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行能譜分析發(fā)現(xiàn)存在一定的表面雜質(zhì)。斷口較為平滑。

3.5 金相組織分析

3.5.1 試樣1 金相組織分析

圖4 為試樣1 實(shí)心銅導(dǎo)線橫截面低倍金相組織，可以看出，橫截面晶粒大小不均勻，中間位置存在一個(gè)細(xì)晶區(qū)橫貫兩側(cè)，細(xì)晶區(qū)兩側(cè)各有一大片粗晶區(qū)，呈現(xiàn)金相組織不均勻的混晶現(xiàn)象。

圖4 試樣1 橫截面低倍組織

通過(guò)不同位置的高倍金相組織觀察，發(fā)現(xiàn)主要為α 固溶體，并且存在較多的孿晶，但不同位置之間差異較大。金相組織的不均勻可導(dǎo)致性能的不均勻性。

細(xì)晶區(qū)和粗晶區(qū)的存在表明實(shí)心銅導(dǎo)線可能為未完全再結(jié)晶組織。JB/T 10415.1—2016《發(fā)電機(jī)液體內(nèi)冷空心導(dǎo)線 第1 部分：銅空心導(dǎo)線》對(duì)空心銅導(dǎo)線要求為退火組織，對(duì)實(shí)心銅導(dǎo)線暫無(wú)明確標(biāo)準(zhǔn)要求，但實(shí)心銅導(dǎo)線退火不完全，可能會(huì)導(dǎo)致其存在一定的殘余應(yīng)力。

3.5.2 試樣2 金相組織分析

圖5 為試樣2 空心銅導(dǎo)線橫截面低倍金相組織，相較于試樣1，試樣2 整體晶粒大小相對(duì)均勻，也存在較多孿晶。JB/T 10415.1—2016《發(fā)電機(jī)液體內(nèi)冷空心導(dǎo)線 第1 部分：銅空心導(dǎo)線》對(duì)于空心銅導(dǎo)線的晶粒度有明確要求，其晶粒尺寸為0.010～0.055 mm，但圖5 中絕大部分晶粒尺寸明顯大于0.055 mm，局部晶粒尺寸甚至超過(guò)0.2 mm。

圖5 試樣2 橫截面低倍組織

3.6 顯微鏡硬度分析

3.6.1 試樣1 顯微硬度

對(duì)試樣1 金相橫截面不同位置作進(jìn)一步的顯微硬度分析，載荷大小為0.98 N。

圖6 為試樣1 橫截面長(zhǎng)軸方向顯微硬度分布，各硬度點(diǎn)間距0.4 mm。從圖6 顯微硬度曲線可見圓弧側(cè)顯微硬度高于內(nèi)部。

圖6 試樣1 橫截面圓弧側(cè)附近顯微硬度分析

3.6.2 試樣2 顯微硬度

JB/T 10415.1—2016《發(fā)電機(jī)液體內(nèi)冷空心導(dǎo)線 第1 部分：銅空心導(dǎo)線》對(duì)于空心銅導(dǎo)線的室溫顯微硬度要求為低于75 HV。

如圖7 所示，對(duì)空心銅導(dǎo)線試樣2 金相橫截面長(zhǎng)軸方向進(jìn)行顯微硬度分析，檢測(cè)點(diǎn)間隔0.4 mm，結(jié)果發(fā)現(xiàn)局部位置硬度超過(guò)75 HV0.1（如測(cè)點(diǎn)1，5，6）。

圖7 試樣2 橫截面長(zhǎng)軸方向顯微硬度分析

綜上，線棒導(dǎo)線斷裂部位靠近定子汽側(cè)端部?jī)?nèi)撐環(huán)綁扎部位，起源于彎曲變形內(nèi)弧位置，存在殘余應(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、電磁力等，應(yīng)力復(fù)雜。

實(shí)心銅導(dǎo)線的金相組織中存在細(xì)晶區(qū)和非常大的粗晶區(qū)，可認(rèn)為是不完全再結(jié)晶組織，退火不完全，可能造成存在一定殘余應(yīng)力的情況。

無(wú)論實(shí)心銅導(dǎo)線還是空心銅導(dǎo)線，不同位置顯微硬度存在一定的差別，局部位置顯微硬度略高于標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 個(gè)試樣的斷口皆存在深色的腐蝕區(qū)和淺色的未腐蝕區(qū)，腐蝕區(qū)內(nèi)存在一定的雜質(zhì)元素，據(jù)此推測(cè)腐蝕區(qū)斷面形成時(shí)間較早，為裂紋起源和擴(kuò)展區(qū)，未腐蝕區(qū)為最終斷裂區(qū)，顯示股線斷裂經(jīng)歷了一段較長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展。

4 定子線棒端部振動(dòng)及歷史運(yùn)行情況

該發(fā)電機(jī)投產(chǎn)以來(lái)，端部密封瓦漏油情況較長(zhǎng)時(shí)間都存在，多次檢修時(shí)都發(fā)現(xiàn)定子端部有油污。2014 年檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)鐵芯端部封口槽楔松動(dòng)部位約30 處；支撐環(huán)綁扎繩部位5 處，其中1處較嚴(yán)重。

在每次大修處理后，發(fā)電機(jī)繞組端部模態(tài)及振型測(cè)試數(shù)據(jù)均合格。但該發(fā)電機(jī)未安裝端部振動(dòng)幅值在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，所以運(yùn)行時(shí)的繞組端部實(shí)際振動(dòng)幅值并未掌握。

該發(fā)電機(jī)曾在2011 年進(jìn)行啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，在發(fā)電機(jī)出口（勵(lì)磁變高壓側(cè)封母）發(fā)生過(guò)兩相接地短路事故。

5 股線斷裂原因分析

發(fā)電機(jī)定子線棒股線斷裂情況，在國(guó)內(nèi)外發(fā)電機(jī)故障事件中屬于偶然事件，產(chǎn)生的過(guò)程和原因比較復(fù)雜，可以從4 個(gè)方面進(jìn)行分析。

5.1 材料缺陷

若線棒材料存在缺陷，發(fā)電機(jī)在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，受振動(dòng)、短路沖擊等因素影響，可能會(huì)造成線棒股線斷裂。

根據(jù)該發(fā)電機(jī)缺陷部位樣品的材料化學(xué)成分分析可知，該線棒材料成分基本滿足設(shè)計(jì)要求，但也存在金相組織不均勻、局部硬度略高的情況。本次3 根股線斷裂的位置基本相同，而3 根股線在同一位置出現(xiàn)材料缺陷問(wèn)題的幾率是極低的，所以材料問(wèn)題不會(huì)是造成線棒股線斷裂的主要原因。

5.2 股線表面缺陷

如果股線在制造過(guò)程中受到損傷，在運(yùn)行過(guò)程也有可能使損傷擴(kuò)大，造成斷裂缺陷。從斷裂股線外表面宏觀檢查未見明顯缺陷，對(duì)斷股線外表面滲透檢查未見明顯缺陷。對(duì)股線斷口進(jìn)行掃描電鏡分析，斷裂源區(qū)表現(xiàn)為解理斷口，終斷區(qū)表現(xiàn)為韌窩斷口，因此表面缺陷基本可以排除。

5.3 振動(dòng)疲勞損傷

該發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，密封瓦漏油，定子繞組端部可能有局部松動(dòng)，2014 年曾發(fā)現(xiàn)過(guò)端部松動(dòng)的情況，當(dāng)時(shí)進(jìn)行了加固處理。端部局部松動(dòng)造成線棒振幅偏大，對(duì)“人”字形結(jié)構(gòu)的2 根線棒來(lái)說(shuō)，聯(lián)接處內(nèi)圓位置的股線承受的應(yīng)力太大，應(yīng)力交變頻率高（100 Hz），在此環(huán)境下運(yùn)行，銅股線產(chǎn)生疲勞損傷的可能性很大。

5.4 沖擊負(fù)荷

發(fā)電機(jī)出口短路時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的短路電流，使定子繞組承受比正常工況下大許多倍的電磁沖擊力，線棒端部振動(dòng)幅值大幅增加。在“人”字形聯(lián)接的R 角處受力極大，很可能造成該處股線損傷。在線棒股線受損后，后期隨著時(shí)間的積累，可能造成股線斷裂。

綜上所述，造成該發(fā)電機(jī)股線斷裂的原因很可能是沖擊負(fù)荷和端部松動(dòng)引起的振動(dòng)疲勞損傷或兩者綜合的結(jié)果。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某660 MW 大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒股線斷裂缺陷，進(jìn)行了缺陷部位的化學(xué)成分分析、斷口掃描電鏡和能譜分析、金相組織和顯微硬度分析。同時(shí)結(jié)合該發(fā)電機(jī)歷史運(yùn)行和檢修情況，對(duì)股線斷裂原因進(jìn)行分析，認(rèn)為該發(fā)電機(jī)股線斷裂很可能是沖擊負(fù)荷和端部松動(dòng)引起的振動(dòng)疲勞損傷或兩者綜合的結(jié)果。在發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，出口短路對(duì)發(fā)電機(jī)傷害極大，要極力避免出口短路的發(fā)生。發(fā)電機(jī)密封瓦漏油會(huì)降低發(fā)電機(jī)端部的緊固結(jié)構(gòu)，也應(yīng)盡力避免。隨著科技的發(fā)展，發(fā)電機(jī)端部振動(dòng)測(cè)量技術(shù)日趨成熟，在發(fā)電機(jī)定子線棒端部安裝振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，可及早發(fā)現(xiàn)或預(yù)防定子線棒端部振動(dòng)過(guò)大的工況，減少發(fā)電機(jī)定子線棒股線斷裂的缺陷發(fā)生。