大型水輪發(fā)電機定子鐵芯階梯片松動斷齒分析與處理

魏興波，徐興友，唐衛(wèi)東，王 維，瞿森森

(湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443000)

水布埡電廠4臺發(fā)電機于2008年全部投入商業(yè)運行。額定功率為460 MW額定電壓為20 kV，額定電流為14.754 kA。定子鐵芯采用高導(dǎo)磁、低損耗、無時效優(yōu)質(zhì)進口硅鋼片沖制而成，全圓由40片組成。鐵芯外徑為φ11 900 mm，內(nèi)徑φ10 900 mm，總長29 200 mm。鐵芯軸向均勻設(shè)有高度為6 mm的通風(fēng)溝，通風(fēng)槽鋼采用非磁性鋼制成。為了減小附加損耗，定子鐵芯兩端疊成階梯形，并在齒部開有小槽，壓指及端箍均采用非磁性材料制成。定子鐵芯疊裝在工地安裝間進行，為了避免定子鐵芯產(chǎn)生翹曲變形，定位筋采用浮動式雙鴿尾結(jié)構(gòu)，定位筋與托塊間留有適當(dāng)?shù)拈g隙以適應(yīng)定子鐵芯的熱膨脹。

為增加鐵芯剛度，保證鐵芯壓緊，減小鐵芯振動，定子鐵芯由足夠的穿芯螺桿拉緊，穿芯螺桿采用高強度非磁性鋼制成，并采用套管絕緣，在穿芯螺桿的端部設(shè)有碟形彈簧，通過力矩扳手定量壓緊使鐵芯達到一定的單位壓緊力。鐵芯壓緊后穿芯螺桿有一定伸長值，加上碟簧有一定壓縮量，這樣當(dāng)鐵芯長期運行后發(fā)生漆膜收縮時，螺桿的伸長量和碟簧的壓縮量就可起到一定的補償作用，仍能維持對鐵芯必須的壓緊力，以保證定子鐵芯在長期運行后不會發(fā)生松動。為防止壓指松動、斷裂，除采用非磁鋼和加寬壓指外，還采取將壓指用不銹鋼焊條直接焊于壓板上的結(jié)構(gòu)[1]。

1 問題提出

2016年冬季至2017年春季檢修期間，水布埡電廠發(fā)現(xiàn)4臺發(fā)電機定子鐵芯階梯片不同程度松動、斷齒，導(dǎo)致11根線棒主絕緣損壞。4臺發(fā)電機鐵芯階梯片松動及線棒絕緣受損情況統(tǒng)計如表1。

表1 水布埡電廠發(fā)電機定子鐵芯階梯片松動及絕緣受損線棒統(tǒng)計表

針對該問題檢修人員進行全面檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機定子主要存在以下2個方面的問題。

1.1 部分鐵芯階梯片松動、斷齒及電腐蝕

部分鐵芯階梯片松動、斷齒及電腐蝕情況見圖1。

1.2 定子線棒出槽部分絕緣受損

松動、斷齒的階梯片隨著機組振動，反復(fù)剮蹭臨近的線棒主絕緣，隨著時間推移，主絕緣厚度逐漸減薄，最終導(dǎo)致定子接地事故，定子線棒絕緣受損情況見圖2。

圖2 定子線棒絕緣受損情況

2 原因分析

從現(xiàn)場檢查情況容易分析出定子鐵芯階梯片松動[2]、斷齒是導(dǎo)致線棒絕緣受損的直接原因。而階梯片斷齒是由松動發(fā)展而成，松動階梯片隨著機組長時間上下振動，由于金屬疲勞導(dǎo)致根部斷裂[3-4]。由此可見，兩個問題的根本原因是階梯片松動。

我們根據(jù)發(fā)電機定子鐵芯的結(jié)構(gòu)、壓緊方式以及現(xiàn)場檢查情況，從設(shè)計、制造、安裝、運行等方面分析了階梯片松動的原因[5]。

2.1 定子鐵芯穿心螺桿拉緊力不夠

為保證扇形片片間壓力足夠，安裝時均按定子鐵芯穿心螺桿設(shè)計力矩值進行把緊，并在磁化試驗后對其再次把緊。為檢驗鐵芯是否存在整體松動，檢修人員抽取3號發(fā)電機鐵芯松動最嚴(yán)重附近的2根穿心螺桿做壓緊力矩校核試驗，發(fā)現(xiàn)其中1根壓緊力矩僅為550 Nm，另一根為850 Nm，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計力矩1 185 Nm。力矩達不到設(shè)計值的主要原因主要有以下幾點：

1)機組運行期間，由于電磁力、振動等原因，鐵芯的應(yīng)力會再次重新分析，會使穿心螺桿的力矩值出現(xiàn)偏差。

2)機組長期運行，隨著定子沖片之間的應(yīng)力變化及漆膜老化或收縮等原因，使螺桿拉緊力降低。

3)機組投運后，未再次對螺桿進行檢查緊固。

2.2 定子鐵芯壓指中心偏移

查閱水布埡電廠發(fā)電機設(shè)計圖紙，鐵芯齒部寬44.94 mm，壓指寬25 mm，鐵芯齒部開槽寬3 mm?，F(xiàn)場測量發(fā)電機定子鐵芯齒部寬45 mm，壓指寬25 mm。《水布埡水輪發(fā)電機安裝說明書》中要求壓指中心與鐵芯齒部中心線偏差不大于2 mm?，F(xiàn)場測量大部分壓指中心偏移已超過3 mm，有的甚至達到了8 mm，見圖3。

2.3 定子鐵芯壓指不平

部分定子鐵芯壓指由于現(xiàn)場焊接壓指后打磨過度導(dǎo)致壓緊面不平整情況見圖4，使壓力不均。

2.4 定子鐵芯齒部開槽未塞實

為減小附加損耗，定子鐵芯兩端疊成階梯形，并在齒部開有小槽，但開槽部位未用絕緣板塞實，見圖5，分散了壓力，引起壓力不均勻。

2.5 端部槽楔未綁扎

槽楔上端未綁扎見圖6，易出現(xiàn)上端槽楔上竄問題，也可能引起鐵芯松動。

圖6 端部槽楔未綁扎

2.6 其它原因

1)由于水布埡電廠為華中電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻電廠，機組較長時間處于進相、低負(fù)荷運行工況，加劇了定子鐵芯端部發(fā)熱、振動。

2)當(dāng)時機組安裝時技術(shù)及設(shè)備有限，如階梯片為現(xiàn)場粘接、采用力矩扳手拉緊螺桿等，都可能使鐵芯階梯片壓力不夠，粘接不牢，導(dǎo)致其松動。

以上為可能導(dǎo)致鐵芯松動的主要原因，結(jié)合水布埡電廠現(xiàn)場實際情況，定子鐵芯穿心螺桿拉緊力不夠、壓指中心偏移以及定子階梯片齒部開槽未塞實為主要原因，其它為次要原因。

3 處理措施及效果評估

針對鐵芯松動導(dǎo)致絕緣受損的線棒，應(yīng)進行更換。線棒更換以及端部槽楔綁扎工藝較成熟，在此不再贅述。下面主要介紹定子鐵芯處理方法[6-7]。

3.1 定子鐵芯階梯片松動、斷齒處理方法

1)拔出根部已經(jīng)斷裂的階梯片，檢查線棒絕緣是否損壞，根據(jù)損壞程度綜合判斷是否需要更換；

2)清凈片與片之間雜物及油污；

3)徹底清理磨損受傷鐵芯階梯片，直至露出金屬本色，確認(rèn)片間無粘連，必要時可用電腐蝕法；

4)清理階梯片齒部中心線處原有縫隙，縫隙內(nèi)雜物、夾渣及油污；

5)用帶膠環(huán)氧絕緣板塞實片間間隙并打緊，必要時可用環(huán)氧膩子填實；

6)階梯片產(chǎn)生間隙處清理干凈，修配合適的環(huán)氧楔板帶膠打入楔牢。若壓指偏移嚴(yán)重，導(dǎo)致階梯片立縫一邊無法受力壓實，則需加焊圖7的“假壓指”。選用10～12 mm厚的不銹鋼板制作，周邊打磨光滑按圖8進行焊接。焊后焊縫需銼磨光滑，不能有尖角，焊時需保護好線圈。

圖7 “假壓指”示意圖

圖8 “假壓指”焊接方法

7)分步、對稱把緊穿心螺桿至設(shè)計力矩值；

8)其它鐵芯松動又塞不進絕緣材料的將周圍清理干凈，涂刷絕緣膠固化；

9)鐵芯受損處如清理后有較大缺陷，用環(huán)氧膩子填充并復(fù)原階梯形狀；

10)階梯片齒部中心線處原有立縫用環(huán)氧絕緣板雙面涂刷絕緣膠塞實，必要時可用環(huán)氧膩子填充；

11)處理完后進行EL-CID鐵損試驗對發(fā)電機定子鐵芯損傷點片間絕緣進行檢測，判斷其片間絕緣是否已處理合格。

3.2 工藝流程圖

線棒更換及鐵芯處理工藝流程見圖9。

圖9 線棒更換及鐵芯處理工藝流程圖

3.3 處理效果評估

為了檢查定子鐵芯松動處理效果，防止片間絕緣不合格，造成短路，在短路區(qū)域形成局部過熱，損壞設(shè)備。由于電廠轉(zhuǎn)子未吊出，僅拔出了兩個磁極,不滿足常規(guī)定子鐵損試驗條件，使用EL-CID鐵損試驗對發(fā)電機定子鐵心損傷點片間絕緣進行檢測，并與處理前的試驗數(shù)據(jù)對比，作為處理效果的證據(jù)。選取了一臺機組鐵芯階梯片松動較嚴(yán)重的的數(shù)據(jù)如表2。從表中看出，處理前大部分試驗數(shù)據(jù)超標(biāo)，按上述方法處理后，試驗數(shù)據(jù)明顯變好，說明該處理方法確實有效，能很好地重新建立起片間絕緣。

表2 鐵芯階梯片松動處理前后EL-CID試驗數(shù)據(jù)對比 mA(峰-峰值)

4 結(jié) 語

本文結(jié)合水布埡電廠發(fā)電機定子鐵芯的結(jié)構(gòu)以及鐵芯松動斷齒的部位，分析了可能導(dǎo)致鐵芯松動的原因，并針對原因提出了大型水輪發(fā)電機定子鐵芯松動可行處理方法，經(jīng)過試驗驗證處理效果較好。但由于鐵芯松動部位主要集中在鐵芯下端，鐵芯壓緊效果相對較差，所以在處理后應(yīng)定期檢查是否存在再次松動的現(xiàn)象。若發(fā)現(xiàn)應(yīng)及時按上述方法處理，以免擦傷臨近線棒絕緣。若條件允許，建議啟動定子鐵芯改造計劃，以解決壓指中心偏移、加工不平、優(yōu)化齒壓板、改進端部階梯片粘接及定子鐵芯拉緊方式及工藝，徹底消除該隱患。