大型水輪發(fā)電機(jī)定子接地故障分析及處理

馬志忠，劉凱兵

(1.三峽機(jī)電工程技術(shù)有限公司, 四川 成都 610040；2.上海福伊特水電設(shè)備有限公司，上海 200240)

在水力發(fā)電廠，發(fā)電機(jī)定子繞組接地故障時(shí)有發(fā)生[1]。某大型水電站左、右岸電站各裝9臺(tái)單機(jī)容量為770 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，是已建成的世界第3大水電站[2-3]。其中左岸電站某臺(tái)機(jī)組于2017年12月A、B套定子接地保護(hù)動(dòng)作跳閘停機(jī)，發(fā)生了定子接地故障。本文詳細(xì)分析了此次故障原因及處理措施。

1 故障點(diǎn)查找

故障發(fā)生后，某電廠進(jìn)行了初步排查，并立即向國調(diào)申請(qǐng)將該機(jī)組轉(zhuǎn)檢修，并組織技術(shù)人員對(duì)接地故障點(diǎn)進(jìn)行排查。

初步排查后決定，斷開該發(fā)電機(jī)B相出口、中性點(diǎn)軟連接，此時(shí)B相繞組的8個(gè)分支在出口端是相連的，在中性點(diǎn)處是分開的。測(cè)量發(fā)電機(jī)B相定子繞組電壓，發(fā)現(xiàn)其不能升高，確定接地故障點(diǎn)在發(fā)電機(jī)B相定子繞組內(nèi)。

在發(fā)電機(jī)B 相出口端與地之間施加小電流，該電流通過故障接地點(diǎn)形成回路，逐一測(cè)量各分支的電流，結(jié)果發(fā)現(xiàn)B相第7分支有電流通過，而其他分支無電流通過，因此確定故障接地點(diǎn)在第7分支。然后逐一測(cè)量第7分支的各線棒電流，發(fā)現(xiàn)第499槽上層線棒下端有電流而上端無電流，因此確定故障點(diǎn)在第499槽上層線棒槽內(nèi)。

將定子第499槽線棒周圍的上機(jī)架蓋板、轉(zhuǎn)子上下?lián)躏L(fēng)板、定子圍屏拆除，拔出3個(gè)磁極，檢查第499槽上層線棒。在退第第499槽槽楔過程中發(fā)現(xiàn)定子鐵心竄片，并損傷第499槽上層線棒，該部位的鐵心斷片長度為20～30 mm，如圖1所示。第499槽上層線棒拔出后發(fā)現(xiàn)直線段下端存在一處明顯劃傷，如圖2所示。

查閱了相關(guān)歲修記錄后，發(fā)現(xiàn)該處線棒附近對(duì)應(yīng)的定子鐵心拉緊螺桿自安裝以來從未進(jìn)行過處理。

圖1 故障點(diǎn)鐵心竄片圖

圖2 線棒劃傷部位圖

檢查還發(fā)現(xiàn)，定子鐵心下端階梯狀鐵心松動(dòng)，主要表現(xiàn)為第2、3、4階梯段超出1階梯段部位?，F(xiàn)場(chǎng)使用了0.10 mm塞尺檢查松動(dòng)深度，發(fā)現(xiàn)約75%的階梯片沒有松動(dòng)的跡象，10%的階梯片略微松動(dòng)，15% 的階梯片松動(dòng)情況較嚴(yán)重。而且發(fā)現(xiàn)松動(dòng)部位的端部粘膠片均存在散開的現(xiàn)象。松動(dòng)的階梯片如圖3所示。

圖3 松動(dòng)的階梯片圖

2 故障原因分析

根據(jù)以上分析發(fā)現(xiàn)，定子端部鐵心發(fā)生松動(dòng)，硅鋼片在定轉(zhuǎn)子之間磁拉力作用下進(jìn)入定子線槽切割定子線棒是引起定子接地故障的直接原因。而引起定子端部鐵心松動(dòng)的原因有以下幾個(gè)方面[4-5]。

1)設(shè)計(jì)的原因。一是定子端部第2段至第4段階梯片過長，壓緊效果不好，容易造成鐵心松動(dòng)，定子端部階梯片設(shè)計(jì)如圖4所示。二是由于壓指約只有一半長度位于機(jī)座上，另一半為懸臂梁結(jié)構(gòu)。在擰緊壓緊螺栓使鐵心壓緊時(shí)，必然是軛部受力較大，齒部受力較小。對(duì)于硅鋼片的任一齒而言，在齒端散張力的作用下越靠近齒根壓力越大，越靠近齒端壓力越小。因此定子端部鐵心在結(jié)構(gòu)上看不易壓緊、易松動(dòng)，定子端部鐵心結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 定子端部階梯片設(shè)計(jì)圖

圖5 定子端部鐵心的結(jié)構(gòu)圖

2)制造的原因。鐵心端部階梯沖片膠粘不合格，是本機(jī)組鐵心松動(dòng)的主要原因。鐵心端部階梯片在粘接過程中有以下不足：一是所使用的粘接劑不足，且操作者培訓(xùn)不到位，缺乏粘膠的經(jīng)驗(yàn)；二是沒有嚴(yán)格按照規(guī)定程序操作，固化過程中壓緊不足；三是沒有按照程序檢查，檢驗(yàn)不嚴(yán)格，僅通過目視檢查，未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題；四是沒有充分考慮粘接環(huán)境對(duì)粘度和固化時(shí)間的影響。

3)安裝的原因。安裝過程中存在以下不足：一是鴿尾筋直線度、半徑、扭斜及弦距的偏差存在不滿足圖紙要求的情況，不利于鐵心壓緊；二是在疊裝階梯片的時(shí)候，有的階梯片被彎折，使得粘接層可能有松動(dòng)；三是鐵心疊片壓緊時(shí)預(yù)緊力可能不足，導(dǎo)致鐵心沒有壓實(shí)。

此外，整個(gè)機(jī)座高度不可能完全一致，再加上每一個(gè)壓指的高度也不可能完全一致，造成相鄰壓指之間高差、壓指整圓高差、壓指內(nèi)外側(cè)高差等存在不滿足圖紙要求的情況，最終導(dǎo)致較高的壓指受力較大，較低的壓指受力較小。這樣容易造成壓指上的硅鋼片受力不均，不易完全壓緊，造成鐵心松動(dòng)。

4)運(yùn)行的原因。機(jī)組運(yùn)行時(shí)在氣隙中存在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)對(duì)定子鐵心產(chǎn)生強(qiáng)大的徑向旋轉(zhuǎn)交變磁拉力[6]。在機(jī)組長期大容量運(yùn)行時(shí)，鐵心端部溫度長期偏高，片間絕緣層會(huì)干縮，再加上階梯片粘膠不足，會(huì)使鐵心壓緊度不夠、齒部振動(dòng)幅度加大，鐵心齒根部機(jī)械疲勞，造成定子鐵心松動(dòng)，再加上硅鋼片處在徑向磁拉力的作用下，因此硅鋼片將沿徑向產(chǎn)生移動(dòng)，進(jìn)入定子線槽，慢慢向外伸長，劃傷線棒絕緣，使線棒的絕緣性能越來越差，最終使 499 號(hào)定子上層線棒絕緣層擊穿，造成定子接地故障。

3 故障處理

對(duì)于此次故障，電廠先后進(jìn)行了臨時(shí)處理和永久處理。

3.1 臨時(shí)處理

根據(jù)以上分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工作條件，臨時(shí)處理方案如下。

1)設(shè)備拆除。拆除基坑蓋板及與之對(duì)應(yīng)的上機(jī)架蓋板。拆除周向?qū)ΨQ的兩個(gè)位置的8個(gè)磁極。

2)清除。定子鐵心和轉(zhuǎn)子各部位在防護(hù)的情況下，切除長壓指內(nèi)徑側(cè)擋風(fēng)板圍屏固定塊，清除壓指上殘留的焊縫，并保持表面平整；去除定子鐵心上下端部階梯片表面的絕緣漆；去除長短壓指內(nèi)徑側(cè)及底部絕緣漆，不得損傷定子沖片；將硅鋼片的突出部分進(jìn)行磨平和銼平。

3)清掃。使用特定的工具、清潔劑對(duì)端部階梯片進(jìn)行清掃。

4)定子端部階梯片粘膠?，F(xiàn)場(chǎng)使用的是粘度較低的膠水EG882環(huán)氧樹脂，按照一定比例配膠后，進(jìn)行涂刷、填充、裝壓、加溫固化等工序，最后檢查并進(jìn)行鐵損試驗(yàn)。

5)安裝定子端部階梯片及壓指支撐，并將定子鐵心的壓緊螺栓進(jìn)行重新緊固。

6)更換故障線棒。按定子線棒專用下線工藝嵌線。

7)回裝并進(jìn)行調(diào)試。

機(jī)組故障處理后，經(jīng)過了24 h的運(yùn)行。經(jīng)檢查，發(fā)電機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)良好。這種處理方法，不僅使得機(jī)組可以繼續(xù)發(fā)電產(chǎn)生效益，同時(shí)為永久處理方案的細(xì)節(jié)研究提供了充足的準(zhǔn)備時(shí)間。

3.2 永久處理

為了避免接地故障再次發(fā)生，永久消除隱患，決定對(duì)機(jī)組進(jìn)行更換鐵心和線棒。簡單講就是拆除原有線棒和鐵心，并按照制造廠家的最新技術(shù)文件重新裝焊下壓指、疊裝定子鐵心、安裝繞組。永久處理方案關(guān)鍵流程如圖6所示。

圖6 更換定子鐵心和線棒關(guān)鍵流程圖

此次更換鐵心和線棒，在機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造和安裝方面，做了以下改進(jìn)。

1)對(duì)端部階梯片設(shè)計(jì)進(jìn)行了修改，臺(tái)階進(jìn)行了優(yōu)化。如圖7所示，階梯數(shù)由7段增加至8段，階梯的軸向總高度由46 mm減至45 mm。所有的階梯的軸向和徑向的尺寸都是5 mm。每個(gè)階梯段所需要粘接的鐵心沖片數(shù)量由原先的6片增加為10片(即所有沖片都需粘接)。

階梯片粘結(jié)采用了廠家提供的改進(jìn)的粘接工藝和檢查試驗(yàn)程序，確保了粘接效果。

圖7 端部階梯片前后對(duì)比圖

2)壓指尺寸進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。定子鐵心端部階梯徑向長度縮短，短壓指長度相應(yīng)增加14 mm，長壓指尺寸不變，以保證鐵心壓緊效果不變。下壓指共576根，其中384根短壓指由之前的526 mm改為540 mm，壓指到氣隙的距離由54 mm減少至40 mm。

3)下壓指采用預(yù)安裝調(diào)平方法。把不合格的下壓指進(jìn)行再加工處理，盡量避免用墊片調(diào)平的方法。壓指和階梯片安裝效果如圖8所示。

圖8 壓指和階梯片安裝效果圖

4)為了以后檢修時(shí)，方便鐵心壓緊系統(tǒng)的拆裝，上下端所有螺母均采用非金屬鎖緊螺母。

5)由于之前發(fā)現(xiàn)鐵心拉緊螺桿絕緣套管內(nèi)有積水現(xiàn)象，導(dǎo)致鐵心拉緊螺桿絕緣螺桿的絕緣電阻下降，因此優(yōu)化了下部絕緣墊圈的結(jié)構(gòu)，增加了排水槽。

6)定子鐵心端部階梯徑向長度縮短，定子圍屏從設(shè)計(jì)和材料上也做了相應(yīng)的更改。

7)定子線棒絕緣進(jìn)行了改善，采用防暈結(jié)構(gòu)與主絕緣一次成型技術(shù)。同時(shí)要求新線棒必須經(jīng)過型式試驗(yàn)驗(yàn)證。

8)在處理中，將原來材質(zhì)為低合金鋼Q345的上壓板更換為不銹鋼06Cr19Ni10材質(zhì)，但其屈服強(qiáng)度相同，但更耐腐蝕、耐溫升、抗磁拉力。

9)在沖片制作的過程中嚴(yán)格控制原料、操作人員水平、制作工藝、測(cè)試要求以及過程監(jiān)控等環(huán)節(jié)。

機(jī)組更換鐵心和線棒后，經(jīng)過了一個(gè)汛期的運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)無論是制造、安裝和運(yùn)行，各方面數(shù)據(jù)均達(dá)到了“優(yōu)質(zhì)機(jī)組”的要求，故障處理比較成功。

4 結(jié)語與建議

故障處理后機(jī)組的運(yùn)行狀況良好，充分驗(yàn)證了此次故障處理的方案是可行的、有效的，故決定在2019～2020歲修期對(duì)電廠另1臺(tái)機(jī)組(與故障機(jī)組出自同一生產(chǎn)廠家)進(jìn)行定子線棒和鐵心更換，徹底消除定子接地的安全隱患。

因定子鐵心發(fā)生松動(dòng)而引發(fā)的定子接地故障是發(fā)電機(jī)的一種常見的接地故障，也是后果極為嚴(yán)重的故障。因此如何預(yù)防或減少類似故障的發(fā)生顯得尤為重要，為此提出以下幾點(diǎn)建議。

1)端部階梯設(shè)計(jì)要充分考慮機(jī)組安裝和運(yùn)行情況，做到設(shè)計(jì)合理且端部階梯片所有沖片都應(yīng)該進(jìn)行粘接，以提高其整體性和剛度。端部階梯片粘接要采用改進(jìn)的定子鐵心端部階梯片粘接工藝和完善的質(zhì)量檢查流程。

2)在下壓指安裝時(shí)，下壓指整圓高程差、相鄰兩塊高程差、內(nèi)圓與外圓的高度差、下壓指中心與沖片齒中心的相對(duì)位置和壓指齒端與沖片齒端徑向距離都要符合設(shè)計(jì)要求。

3)為了避免階梯片粘接層松動(dòng)，在疊裝階梯片的時(shí)候，每6人一組，分上中下，保保證階梯片處于水平狀態(tài)從上到下安裝，不得彎折和“暴力”安裝。此外，定子鐵心應(yīng)分段壓緊疊裝，鐵心疊至設(shè)計(jì)高度時(shí)各預(yù)壓一次，預(yù)壓緊力要符合設(shè)計(jì)要求。

4)每次機(jī)組檢修時(shí)應(yīng)全面檢查定子鐵心是否有異常情況，特別應(yīng)檢查鐵心壓緊螺栓是否松動(dòng)，是否有積水，各螺栓壓緊力矩是否恒定。

5)定子鐵心試驗(yàn)是檢查定子鐵心故障的重要手段。建議將定子鐵心試驗(yàn)作為大修的必做試驗(yàn)項(xiàng)目。此外，在機(jī)組小修時(shí)建議用工業(yè)內(nèi)窺鏡檢查定子鐵心特別是端部鐵心，以便盡早發(fā)現(xiàn)異常情況。