水輪發(fā)電機定子鐵芯松動引發(fā)接地故障的分析及返修預防處理

易桂林 王永 龍小波

摘要：本文主要講述水輪發(fā)電機定子鐵芯局部松動及局部熱點處理措施及其預防措施。以多個電站因定子鐵芯質(zhì)量導致定子擊穿事故為倒講述了局部松動及局部熱點的危害性及相應的返修處理措施，并提出相應的預防措施。本文重點對定子局部松動及局部熱點返修及預防措施作了介紹。

關鍵詞：定子鐵芯;局部松動;局部熱點;定子繞組;絕緣老化

水發(fā)機定子鐵芯是構成水輪發(fā)電機定子的重要部件，也是電機磁路的重要組成部分也是安放定子繞組的部件，屬于發(fā)電機的核心基礎部件。發(fā)電機運行時，定子鐵芯將受到機械力、熱應力及電磁力的綜合作用。定子鐵芯的壓裝質(zhì)量直接影響定子的性能及壽命，定子鐵芯壓裝質(zhì)量對定子性能的影響主要體現(xiàn)在局部松動及局部熱點兩方面。

1、定子鐵芯局部松動及局部熱點的危害性

定子鐵芯因定位筋裝配質(zhì)量、壓裝緊量不足等因數(shù)的原因致使定子鐵芯在長時間運行過程中逐步出現(xiàn)局部松動現(xiàn)象。定子鐵芯局部松動處由于機械振動磨損致使沖片絕緣磨損，進會導致局部熱點的形成，故定子鐵芯局部松動一般會伴隨著局部熱點，局部熱點一般都位于局部松動處。另外，由于沖片本身突出毛刺、疊片槽型不整齊及打槽楔擠壓等原因造成沖片的粘連也會產(chǎn)生局部熱點。

鐵芯松動處由于長時間局部過熱、振動磨損會逐步造成齒部矽鋼片燒蝕，嚴重時會發(fā)生斷齒現(xiàn)象。定子繞組線棒由于緊貼鐵芯，局部發(fā)熱會加速線圈絕緣老化，鐵芯松動處沖片磨損線圈表面絕緣也會造成繞組絕緣損傷。當繞組絕緣損傷至一定程度后導致繞組絕緣薄弱處擊穿。

2010年09月12日，某水電廠2號發(fā)電機滿負荷狀態(tài)下機組零序保護動作事故停機，事故后經(jīng)檢查確認定子繞組A相絕緣對地擊穿。經(jīng)檢修單位將發(fā)電機轉(zhuǎn)子吊出后，檢查定子發(fā)現(xiàn)定子鐵芯上端部梯形段多處松動，鐵芯齒部矽鋼片已經(jīng)嚴重燒蝕（如圖1）。

定子繞組線棒由于緊貼鐵芯，鐵芯短路造成渦流發(fā)熱，多根線棒絕緣已局部受損。清洗定子繞組表面后，檢查定子鐵芯上部梯形段受損嚴重，受損鐵芯由于短路渦流已將矽鋼片燒蝕形成孔洞。在定子繞組第79槽上端部槽口找到故障點，解開線棒后發(fā)現(xiàn)線棒上部局部有坑洞和裂紋，并掏出一塊已斷裂的鐵芯殘片（如圖2）。由此可以排查出此次繞組絕緣擊穿的主要原因是由于鐵芯斷裂后由于振動磨損線棒，線棒絕緣受損至一定程度后導致定子繞組的擊穿。鐵損試驗是檢查定子鐵芯絕緣情況比較有效的方法，事故后，通過鐵損試驗檢查發(fā)現(xiàn)鐵芯松動處溫升相對較高，均為局部熱點。

2018年10月10日，某水電站4號機定子繞組A相擊穿，經(jīng)檢修單位將發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組吊出后，檢查定子繞組發(fā)現(xiàn);1、定子鐵芯上部存在局部松動現(xiàn)象，多處鐵芯松動處存在灼傷痕跡，一處定子鐵芯（故障點處）已斷齒;2、拆下的故障線（如圖3）存在局部絕緣破損、表面絕緣層存在碳化現(xiàn)象。

因定子鐵芯局部松動及局部熱點造成的定子鐵芯局部燒損、線圈絕緣磨損及絕緣老化加速到一定程度后導致定子繞組擊穿事故的案例較為普遍，給電站方及設備制造廠都帶來較大的經(jīng)濟損失。

2.定子鐵芯局部松動及局部熱點返修處理

為保障機組的正常運行，需處理定子鐵芯局部松動及局部熱點后更換受損線圈。返修處理措施分為徹底處理措施及臨時處理措施，根據(jù)電站實際情況采取合理的返修措施以最大程度減少損失。

徹底處理措施需拆下全部定子線圈，全部或部分定子沖片，重新疊片、下線。如定子鐵芯上下端多處存在局部松動，沖片絕緣損傷嚴重，一般采取拆下全部定子沖片，復檢定位筋尺寸合格后用清理后重新進行絕緣處理的舊沖片或新沖片重新疊片;定子鐵芯壓裝后進行鐵損試驗，重點檢查是否存在局部熱點;鐵芯緊量也需同時預以控制，嚴格控制拉緊螺桿螺母扭矩，必要時增加整體熱壓要求以保證鐵芯緊量;定子鐵芯疊裝過程中還需嚴控鐵芯槽質(zhì)量，特別是鴿尾槽處槽型整齊度，以防定子下線打槽楔時擠壓突出片致使鐵芯局部粘連進而產(chǎn)生局部熱點。

由于徹底處理措施處理周期相對較長，如事故發(fā)生在豐水期，如采取徹底處理措施修復定子鐵芯，電站發(fā)電損失較大。為減少電站損傷，可暫時采取臨時處理措施保障機組短期運行，待機組例行大修時再采取徹底處理措施進行二次返修處理。

臨時處理措施一般采用清理局部松動及熱點后刷涂室溫固化環(huán)氧膠的方式進行片間絕緣處理，再使用絕緣楔子板楔緊鐵芯并對絕緣楔子板進行必要的固定處理。臨時處理措施只是針對性的對鐵芯已發(fā)現(xiàn)的清理局部松動及熱點進行了簡單的處理，使定子鐵芯能保障機組的短期運行，未徹底消除鐵芯隱患，不能作為處理鐵芯問題的最終處理措施。

某水電廠2號發(fā)電機在2008年初處理遺留焊條磨穿線圈絕緣事故時首次發(fā)現(xiàn)定子鐵芯有松動現(xiàn)象，由于搶修時間原因，當時采取了臨時處理措施對鐵芯局部松動問題進行了處理，但未徹底地處理鐵芯問題，導致2009年9月因鐵芯局部松動問題損傷線圈絕緣定子繞組再次擊穿。此次該電站采用了拆下全部定子沖片重新疊片下線的返修方案對鐵芯松動問題進行了徹底的處理，2號發(fā)電機恢復運行至今未再出現(xiàn)因鐵芯松動問題導致的發(fā)電機定子擊穿事故。

3。定子鐵芯局部松動及局部熱點形成的原因及預防措施

壓緊力不足是造成定子鐵芯松動的重要原因。定子鐵芯在裝壓過程中，最關鍵的是鐵芯能否壓緊，而鐵芯能否壓緊直接與定子鐵芯的壓力有關，鐵芯壓力的大小是定子鐵芯疊壓的關鍵因數(shù)之一。一般中、小型水輪發(fā)電機定子鐵芯長度在1-2m范圍內(nèi)，建議定子鐵芯壓力值在1.2-1.5MPa，對于大容量、長鐵芯水輪發(fā)電機，應視其鐵芯固定方式和拉緊螺桿的材料，同時借鑒一些大型電機的運行經(jīng)驗、合理的選擇定子鐵芯的壓力值。壓力值的大小通過計算可以以拉緊螺桿螺母扭矩值來體現(xiàn)，控制拉緊螺桿螺母扭矩值即可保證一定的壓力值。

定子鐵芯在裝壓過程中，應進行分段預壓和整體壓緊，應根據(jù)鐵芯長度確定分段預壓高度，一般每段不宜超過600mm，以300～500mm為宜。鐵芯在裝壓過程中疊片高度應考慮整體壓緊和熱壓的壓縮量，一般熱壓的壓縮量應根據(jù)鐵芯長度的0.2%-0.3%考慮，并平均分配到每一疊片段中。

為保證定子鐵芯的整體壓緊質(zhì)量，在定子鐵芯壓緊后鐵損試驗之前對定子鐵芯特別是特別是大容量、長鐵芯機組的定子鐵芯應增加一次整體熱壓要求，可采用布置電加熱器等外加熱方式將定子鐵芯加熱至60-80℃上下，最大不宜超過100℃，保溫4小時左右后冷卻至室溫，在冷態(tài)下重新壓緊定子鐵芯。經(jīng)過整體熱壓的定子鐵芯，在振動、噪聲、溫升方面一般都會有明顯的改善，鐵芯長度相對整體熱壓前會相應減短，可有效預防鐵芯松動。

定子鐵芯局部松動處因振動片間絕緣磨損必會造成局部熱點。另外因沖片毛刺、沖片漆膜損傷、打槽楔擠壓突出片也會造成鐵芯片間粘連導致局部熱點。保證沖片本身質(zhì)量、保證鐵芯槽型質(zhì)量、保證疊片時沖片無機械損傷可有效預防因沖片片間粘連導致的鐵芯局部熱點。

總結

定子鐵芯在裝壓過程中，通過分段預壓，整體熱壓及保證拉緊螺母扭矩值可有效保證定子鐵芯緊量，預防定子鐵芯在長運行過程中出現(xiàn)松動或局部松動現(xiàn)象。定子鐵芯在裝壓過程中使用質(zhì)量合格的沖片、保護沖片絕緣免受機械損傷、控制鐵芯槽型及保證定子鐵芯緊量，可有效地預防鐵芯局部熱點的產(chǎn)生，可有效預防因定子鐵芯局部松動及局部熱點導致的定子繞組擊穿事故。