汽輪發(fā)電機定子鐵芯松動的原因分析及處理流程

王國仁，李采榮，江培生

（1.晉能控股山西電力股份有限公司，山西 太原030031；2.晉控電力山西工程有限公司，山西永濟044500；3.哈爾濱四方發(fā)電設(shè)備有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150080）

0 引言

汽輪發(fā)電機是發(fā)電廠的主要設(shè)備，而定子鐵芯則是發(fā)電機的核心部件，在制造、運行、檢修等過程中，不可避免地會出現(xiàn)鐵芯表面因外力作用所引發(fā)的定子鐵芯沖片局部短路或因鐵芯表面的片間絕緣損壞等[1]，導(dǎo)致鐵芯局部齒部松動，影響汽輪發(fā)電機的正常運轉(zhuǎn)。近年來，部分國產(chǎn)汽輪發(fā)電機在投運一段時間后出現(xiàn)了鐵芯齒部松動，甚至端部鐵芯齒部折斷或通風(fēng)槽鋼折斷、缺損的現(xiàn)象。鐵芯松動后將引起鐵芯振動甚至齒部折斷，導(dǎo)致定子線棒絕緣磨損，嚴(yán)重時絕緣損壞將引起定子繞組接地或相間短路，造成發(fā)電機故障停機，因此加強汽輪發(fā)電機定子鐵芯松動原因分析及處理措施研究十分重要。

1 發(fā)電機定子鐵芯松動造成的危害

汽輪發(fā)電機的定子鐵芯一般選用0.5 mm厚的硅鋼片疊壓而成，在運行中承受著溫度、電磁轉(zhuǎn)矩和各種頻率的振動，在端部鐵芯齒上，由于漏磁的軸向拉力，還會引起軸向振動并產(chǎn)生異音[2]。

鐵芯的振動不一定立即造成重大事故，但持續(xù)振動會磨損線圈絕緣及硅鋼片絕緣漆膜，導(dǎo)致鐵芯渦流損耗增加，渦流損耗增加又會產(chǎn)生局部過熱進而加速硅鋼片絕緣的老化。在中小型汽輪發(fā)電機中（小于100 MW），片間短路僅僅引起鐵芯損耗的增加和輕微發(fā)熱，但在200 MW及以上的汽輪發(fā)電機中，硅鋼片片間短路會造成鐵芯發(fā)熱、斷片、斷通風(fēng)槽鋼等事故，嚴(yán)重時甚至燒熔鐵芯。另外，鐵芯整體松動振動還可能引起槽楔松動磨損，引發(fā)線棒絕緣的磨損，進而破壞端部引線固定塊的整體結(jié)構(gòu)模態(tài)[3]，引起定子繞組接地或相間短路，造成發(fā)電機故障停機。

發(fā)電機定子鐵芯松動造成的危害案例如下：某電廠1號發(fā)電機抽轉(zhuǎn)子后，檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)電機定子鐵芯松動，第25號和26號線棒之間的端部階梯硅鋼片燒熔；某電廠4號發(fā)電機檢修，檢查發(fā)現(xiàn)因定子鐵芯松動，造成硅鋼片漆膜損壞，發(fā)熱燒熔鐵芯，斷齒斷片；某電廠1號發(fā)電機定子鐵芯松動造成硅鋼片片間漆膜損壞、發(fā)熱、燒熔鐵芯導(dǎo)致線棒絕緣燒毀接地；某電廠300 MW汽輪發(fā)電機因定子鐵芯松動引起漆膜損傷，油泥析出，大引線緊固件螺母及絕緣螺桿松動、磨損甚至丟失。

2 發(fā)電機定子鐵芯松動的原因分析

發(fā)電機定子鐵芯是由數(shù)張扇形硅鋼片組成圓形后，通過定位筋定位一層層疊放壓裝而成。硅鋼片在壓裝過程中要分段進行加壓和加熱加壓，使硅鋼片間絕緣涂層收縮來保證緊密度。國產(chǎn)大型汽輪發(fā)電機制造工藝在近30年來得到一定的改進，在防止鐵芯松動工藝中增加了分段預(yù)壓和加熱把緊新工藝。在制造廠，質(zhì)量檢查時鐵芯是緊密的，可以達(dá)到設(shè)計要求的片間壓力值。但電機運行一段時間后檢修時經(jīng)常發(fā)現(xiàn)200 MW、300 MW發(fā)電機定子鐵芯整體出現(xiàn)松動的現(xiàn)象，定位筋拉緊螺桿的螺母松動，鐵芯硅鋼片片間壓力已達(dá)不到設(shè)計預(yù)期緊力。經(jīng)分析研究，發(fā)電機定子鐵芯松動的原因有以下幾方面。

a）發(fā)電機硅鋼片絕緣漆涂層在受熱和受壓下發(fā)生收縮，使硅鋼片片間緊量下降導(dǎo)致鐵芯松動。這是因為發(fā)電機在運行中，鐵芯的溫度比機座、定位筋要高很多，鐵芯的熱膨脹使鐵芯硅鋼片受到一個附加的壓力，在高溫和振動狀態(tài)下，硅鋼片絕緣漆膜被軟化，較厚的漆膜高點被塑性壓平，硅鋼片之間被進一步密合，發(fā)電機經(jīng)過一段時間的運行后鐵芯中原保存的片間壓力降低，這樣就產(chǎn)生了整體松動現(xiàn)象。

b）定子鐵芯硅鋼片間涂刷的絕緣漆厚度不勻或使用不同品牌的絕緣漆，發(fā)電機在運行一段時間后，由于硅鋼片之間收縮度不一致，導(dǎo)致硅鋼片間壓力降低而造成鐵芯松動。國產(chǎn)有機漆涂層厚度在雙面達(dá)0.03～0.037 mm，而德國產(chǎn)水溶劑漆涂層厚度在雙面僅有0.018～0.021 mm。

c）發(fā)電機在運行一段時間后，其穿芯螺桿、定位筋螺桿的彈性緊力變小，造成鐵芯松動。

d）發(fā)電機風(fēng)道隔筋存在高低不平現(xiàn)象，導(dǎo)致鐵芯松動。

e）發(fā)電機鐵芯壓緊工藝不好，導(dǎo)致沿整個內(nèi)圓周齒部壓力不均勻，造成齒部出現(xiàn)有緊有松的狀態(tài)。風(fēng)道隔筋在長期振動下松動直至脫落，造成鐵芯松動。

f）發(fā)電機內(nèi)部漏油造成定子鐵芯松動、磨損。當(dāng)密封油油污進入發(fā)電機定子鐵芯片間后，硅鋼片之間的絕緣涂漆受到了油污的侵蝕，在倍頻交變電磁力的作用下發(fā)生振動和摩擦，造成了定子鐵芯的松動、磨損。

g）發(fā)電機勵端收緊力不夠造成鐵芯松動。由于發(fā)電機勵端有出線，空間比較狹小，發(fā)電機進行定位筋螺桿、穿心螺桿緊固時一般是在空間相對較為寬裕的汽端進行，導(dǎo)致傳遞到發(fā)電機勵端收緊力相對較小，造成發(fā)電機勵端鐵芯松動。

3 發(fā)電機定子鐵芯松動處理工藝方案

200 MW以上汽輪發(fā)電機運行中因鐵芯松動而造成的接地故障，通常的處理方法有以下幾種：一是將發(fā)電機運到制造廠修理。二是現(xiàn)場將全部定子線圈線棒取出，用特制的600 t臥式油壓機將鐵芯二次重新壓緊，然后恢復(fù)線棒繞組裝配。此方法工期長、費用多、工藝復(fù)雜。三是現(xiàn)場采用高壓油缸系統(tǒng)壓緊定子鐵芯。目前采用高壓油缸系統(tǒng)恢復(fù)鐵芯設(shè)計緊量是處理200 MW、300 MW、600 MW定子鐵芯松動最為簡便、低價、快速的方法。

4 高壓油缸系統(tǒng)壓緊定子鐵芯工藝流程

4.1 壓緊鐵芯前的檢查工作

a）用吸塵器清理定子鐵芯內(nèi)部。

b）檢查定子鐵芯內(nèi)部，檢查定子鐵芯齒部是否有磕碰等損傷。

c）用鐵芯測緊度刀檢查定子鐵芯緊度，鐵芯背部用鐵芯測緊度刀測試插進量，并做好記錄。

d）按DL/T 596—1996《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》進行鐵損試驗并處理鐵芯過熱點。

e）檢查鐵芯壓圈與機座隔板之間的間隙，標(biāo)準(zhǔn)尺寸為10 mm（有橡膠密封條）。

f）測量鐵芯長度并記錄。

g）測量汽勵壓圈至機座端面的距離并記錄。

4.2 壓緊鐵芯前的準(zhǔn)備工作

a）將3個千斤頂頂在繞組端部下面的3個支架板上，保證發(fā)電機定子端部固定牢固，防止在彈簧板把合螺釘松開時，整個端部下沉，導(dǎo)致定子線圈受力而損傷。

b）在汽、勵兩端適當(dāng)位置各拆除4根絕緣引水管，以便操作者進入定子端部進行維護操作。

c）將定子繞組端部彈簧板與定子壓圈的把合螺栓松開，并旋出約5 mm，但不能全部旋出，此時用塞尺測量彈簧板下與銅屏蔽的配合間隙，測墊片四角，并編號和記錄。

4.3 定子鐵芯的壓緊

a）拆除鎖緊定位筋兩端螺母的固化滌綸玻璃絲繩，用M56螺母試擰入以便清除殘留的環(huán)氧膠。檢查定位筋螺紋伸出螺母的長度，編號并記錄每根定位筋螺紋伸出的長度。

b）根據(jù)測量結(jié)果決定從汽端或勵端開始壓緊鐵芯。

c）在一端的定位筋螺紋上安裝液壓螺栓拉伸器，要求18個拉伸器必須全部安裝并連接油管路、油泵。

d）在機座1點鐘、4點鐘、7點鐘和10點鐘的位置各固定1塊百分表，表頭垂直壓在壓圈上，百分表應(yīng)預(yù)先壓緊5 mm。

e）緩慢升高油泵壓力至99 MPa，此時對應(yīng)壓緊壓力為800 t，保持壓力30 min，如果壓力下降，繼續(xù)升壓至99 MPa，直至壓力不變。

f）旋緊定位筋螺母。

g）釋放油泵的壓力，記錄百分表的讀數(shù)。

h）重復(fù)e）～g）步驟。

i）重新測量每根定位筋螺紋伸出的長度并做好記錄。

j）測量壓圈至機座端面的距離并記錄。

k）重復(fù)c）～j）步驟，壓緊鐵芯另一端。

l）測量鐵芯長度并記錄。

4.4 壓緊后處理

a）加墊端部彈簧板下的墊片。用塞尺測量彈簧板下與銅屏蔽配合間隙，測墊片四角，并編號和記錄。根據(jù)測量結(jié)果決定增加墊片的厚度。加入增加的墊片，擰緊把合螺栓。

b）若鐵芯單側(cè)壓縮量超過5 mm，應(yīng)更換彈簧板與壓圈的不銹鋼把合螺栓。

c）檢查槽口墊塊，若與銅屏蔽沒有靠嚴(yán)，應(yīng)拆出后重新裝入并綁好。

d）用浸膠滌綸玻璃絲繩鎖緊定位筋螺母。

e）安裝絕緣引水管，用氟利昂檢漏，并按JB/T 6228—2014《汽輪發(fā)電機繞組內(nèi)部水系統(tǒng)檢驗方法及評定》進行定子繞組水路氣密試驗，合格后再包絕緣材料。

4.5 進行發(fā)電機鐵損試驗

進行發(fā)電機鐵損試驗，檢查鐵芯片間絕緣并再次處理鐵芯過熱點，同時用鐵芯緊度刀片檢查鐵芯緊度和測量拉緊螺桿伸長來了解鐵芯壓縮量。

4.6 清理作業(yè)區(qū)

清理干凈作業(yè)區(qū)域并清點帶入機內(nèi)的工具，確認(rèn)已攜出。

5 發(fā)電機定子鐵芯松動處理后的驗收試驗

發(fā)電機定子鐵芯松動處理后需進行發(fā)電機定子鐵芯損耗試驗，檢查發(fā)電機定子鐵芯硅鋼片片間絕緣情況以及鐵芯疊裝或檢修過程中有無局部損傷，并對照標(biāo)準(zhǔn)評價其是否達(dá)到要求。

5.1 高磁法試驗

此試驗要求在鐵芯中產(chǎn)生接近于運行狀態(tài)的磁場強度，通常采用廠用6 kV作為勵磁電源，當(dāng)磁通量達(dá)到1.4 T（特斯拉）后，使用紅外熱成像儀查找過熱點，判斷標(biāo)準(zhǔn)如下。

a）根據(jù)規(guī)程要求，勵磁磁通密度為1.4 T（特斯拉）下持續(xù)試驗時間為45 min。磁密在1 T（特斯拉）時下齒的最高溫升不超過25 K，齒的最大溫差不大于15 K，單位損耗不大于1.3倍參考值[4]。

b）鐵損試驗中鐵芯各部分溫升和鐵損值與出廠值比較，不應(yīng)有明顯的增大。

5.2 低磁法試驗

低磁法也叫ELCID（electro-magnetic core imperfection detector）試驗法，該試驗方法要求在鐵芯中產(chǎn)生的磁通密度僅為正常運行時磁通密度的4%，試驗中利用電磁原理采用磁位計查找鐵芯故障電流，這個方法相對高磁法大大減小了試驗電源容量，同時也避免了故障鐵芯部位進一步擴大。判斷標(biāo)準(zhǔn)：以100 mA作為4%額定激磁時判斷的閥值，即各槽交軸電流值不超過100 mA[5]。

6 結(jié)論及建議

a）加強發(fā)電機制造和安裝調(diào)試階段的監(jiān)督。在制造廠監(jiān)造發(fā)電機鐵芯制作、鐵芯壓裝平整度、鐵芯壓緊、鐵損試驗、穿芯螺桿緊力配合和螺母的鎖緊等，同時應(yīng)加強安裝階段的驗收，避免在安裝中損傷鐵芯。

b）國產(chǎn)大型汽輪發(fā)電機200 MW、300 MW、600 MW經(jīng)過365天以上負(fù)載運行后定子鐵芯將逐漸出現(xiàn)整體松動，應(yīng)抽出轉(zhuǎn)子檢查并重新打緊定子槽楔，更換彈性波紋板。

c）經(jīng)常性進行例行檢查，聽發(fā)電機各負(fù)荷階段是否存在異音，特別注意額定負(fù)載的0.618倍時的振動和異音；累計投運23 000 h應(yīng)采用高壓油系統(tǒng)重新壓緊定子鐵芯，以保證發(fā)電機定子鐵芯硅鋼片片間壓力基本保持恒定。

d）出現(xiàn)急劇變化的異音時應(yīng)立即停機檢查處理，以避免發(fā)生重大接地故障。

e）加強對運行中定子鐵芯溫度及發(fā)電機各項運行參數(shù)的監(jiān)視，結(jié)合定子線圈層間及出水溫度、發(fā)電機各瓦振動參數(shù)、冷熱氫溫度、運行中異音情況，定期對發(fā)電機運行工況進行分析。

f）提高檢修質(zhì)量，避免向發(fā)電機內(nèi)部漏油。運行中應(yīng)定期檢查油污積存情況，檢查發(fā)電機底部油污排出閥液位報警裝置，采取技術(shù)和管理措施杜絕向發(fā)電機內(nèi)部漏油。