大型水輪發(fā)電機阻尼軟連接斷裂現(xiàn)象分析及處理

梅林浩

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

某大型電站發(fā)電機額定容量為777.8 MW，額定電壓為20 kV，發(fā)電機定子繞組為三相雙層波繞組，每相5 支路并聯(lián)，發(fā)電機中性點采用經(jīng)接地變的高電阻方式接地。發(fā)電機在磁極極靴上裝有阻尼繞組，阻尼繞組的作用是抑制振蕩，幫助自整步，提高穩(wěn)定性，補償由于不對稱電流產(chǎn)生的負序分量的電樞反應(yīng)，抑制不對稱短路時的過電壓。阻尼繞組之間通過阻尼軟連接相連，該發(fā)電機在機組檢修期間發(fā)現(xiàn)定子線棒下端部出現(xiàn)多處銅絲搭接放電痕跡。經(jīng)詳細檢查確認，發(fā)現(xiàn)有48 根上層定子線棒、9 根下層定子線棒端部存在明顯放電痕跡，放電處皆有銅絲附著，放電痕跡大部分位于兩個斜邊墊塊之間；另有23 個線棒表面附著有銅絲，無放電痕跡。

1 阻尼軟連接和線棒檢查

1.1 阻尼軟連接檢查

定子線棒放電現(xiàn)象經(jīng)初步分析為磁極阻尼軟連接銅絲斷裂掉落所致，為明確銅絲來源，在發(fā)電機定子隨機選擇2 處對稱位置的擋風(fēng)板進行拆除，對拆除擋風(fēng)板處的阻尼繞組和磁極軟連接進行檢查，發(fā)現(xiàn)磁極軟連接基本完好，阻尼繞組表面有磨損現(xiàn)象，為進一步確定所有阻尼繞組的狀態(tài)，拆除所有擋風(fēng)板來查看阻尼軟連接磨損情況。在擋風(fēng)板全部拆除后，對磁極阻尼軟連接（下風(fēng)洞共160 對）和磁極間軟連接（80 個）進行了詳細檢查，發(fā)現(xiàn)63～64 號磁極阻尼軟連接完全斷裂，有約5 個阻尼軟連接表面有毛刺磨損現(xiàn)象，其余阻尼軟連接外表面檢查良好；磁極間軟連接檢查發(fā)現(xiàn)有十多處出現(xiàn)少量銅絲斷股，其余外表無異常。為確定阻尼軟連接接觸處是否有磨損斷股現(xiàn)象，現(xiàn)場隨機拆下65～66 號磁極阻尼軟連接進行檢查，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有磨損毛刺現(xiàn)象。初步檢查表明阻尼軟連接和磁極間軟連接在機組運行過程中會受到電磁力的作用，導(dǎo)致軟連接表面和連接處出現(xiàn)磨損斷股現(xiàn)象，嚴重的會導(dǎo)致軟連接完全斷裂。為了明確阻尼軟連接的狀態(tài)，隨后拆除發(fā)電機轉(zhuǎn)子所有阻尼軟連接進行詳細檢查，檢查發(fā)現(xiàn)：上端阻尼軟連接35 個存在磨損的情況，125 個無破損；下端阻尼軟連接84 個存在磨損的情況，76 個無破損，其中有2 個阻尼軟連接完全斷裂。

經(jīng)全面檢查發(fā)現(xiàn)該發(fā)電機磁極阻尼繞組軟連接存在比較多的磨損情況，特別是有2 處磁極阻尼軟連接完全斷股。通過比對線棒間取出來的銅絲和斷股的軟連接，認為發(fā)電機定子線棒大量放電情況是由阻尼軟連接在機組運行期間斷股致使大量細銅絲掉落到線棒間隙造成。同時檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)電機磁極阻尼軟連接存在較多數(shù)量的磨損，阻尼軟連接表面有毛刺，長期運行很容易發(fā)展成斷股現(xiàn)象。

1.2 定子線棒檢查

該型號發(fā)電機定子繞組為三相雙層波繞組，每相5 支路并聯(lián)，該型號發(fā)電機定子繞組共510 槽，線棒數(shù)1 020 根，每相分為5 支路，每條支路有線棒68 根，上、下層各34 根，采用波繞組方式接線。發(fā)電機機端相電壓11.54 kV，每根線棒感應(yīng)的電壓為0.17 kV。線棒的電位與其在支路中所處的位置成線性關(guān)系，越靠近機端電位越高。從中性點開始，每條支路線棒電壓依次為0.17 kV、2×0.17 kV……67×0.17 kV、11.54 kV。

（1）部分線棒銅絲搭接放電痕跡（圖1）

圖1 上層定子線棒銅絲搭接放電

（2）定子線棒放電點電位分布

表1 線棒放電點運行電位分布區(qū)間

圖2 放電點與電位的關(guān)系

（3）分析總結(jié)

上下層放電線棒運行電位主要在3 kV 及以上，上層線棒呈遞增趨勢，3 kV 及以上運行電位放電占91.84%，6 kV 及以上運行電位放電占69.38%。下層線棒分布差距較大，3 kV 及以上運行電位放電占88.89%，9 kV 及以上運行電位放電占55.44%。有銅絲未放電點的電位分布呈遞減趨勢，3 kV 及以下運行電位占34.78%，6 kV 及以下運行電位占65.21%。

在線棒表面有銅絲存在的情況下，線棒放電的幾率與線棒所處電位成正相關(guān)，線棒所處電位越高越容易產(chǎn)生放電現(xiàn)象。線棒電位從3 kV 開始容易產(chǎn)生放電，且主要集中在高電位。

2 阻尼環(huán)軟連接磨損斷股原因

從軟連接損傷現(xiàn)象看，表面無過熱跡象，可以排除過電流發(fā)熱因素；部分軟連接變形嚴重甚至斷股說明存在破壞性驅(qū)動力；軟連接變形的方向朝向軸向中部，說明破壞性驅(qū)動力的方向指向軸向中部。根據(jù)電磁場理論，可以初步判定這個作用力是阻尼環(huán)中的電流在極間漏磁場作用下產(chǎn)生的安培力。此力的大小取決于兩個因素：阻尼環(huán)的電流，以及極間漏磁場的大小和方向。據(jù)此推測易造成電磁沖擊力的工況為發(fā)電機突然短路、非同期合閘時系統(tǒng)遭受瞬態(tài)沖擊，進而使磁鏈突增、漏磁突增、阻尼電流增大，定子電流也突增。在這種情況下將會導(dǎo)致阻尼電動力急劇增大。

阻尼環(huán)軟連接在機械力及電動力的作用下變形拉直后，運行過程中受震動、風(fēng)力作用，易形成上下片間、每片層間摩擦，從而造成銅絲疲勞損壞。機組在運行過程中，阻尼環(huán)軟連接會受到電制動、瞬態(tài)兩相短路、穩(wěn)態(tài)不對稱負載等工況下因沖擊電流而產(chǎn)生的電磁力作用。通過有限元計算，該型號機組在三種運行工況下，阻尼端環(huán)電流及阻尼端環(huán)軸向電磁力情況如表2 所示。

表2 機組在三種運行工況下，阻尼端環(huán)電流及阻尼端環(huán)軸向電磁力

采用瞬態(tài)電磁場有限元仿真分析不同典型工況下阻尼環(huán)極間電磁力：

圖3 場路耦合計算模型

仿真計算表明，很可能是在長期的運行過程中，發(fā)電機-系統(tǒng)線路上出現(xiàn)多次單相、兩相突然短路、非同期合閘等沖擊，發(fā)電機受到?jīng)_擊時，定子突增的沖擊電流會在阻尼環(huán)中感應(yīng)出很大的瞬時電流，在端環(huán)處的漏磁場也將極大增加，兩者的作用就會產(chǎn)生很大的軸向電動力，阻尼環(huán)連接處為懸臂結(jié)構(gòu)，承受離心力問題不大，但對于沖擊電磁力則剛性不足，容易發(fā)生變形問題。

3 處理過程

3.1 線棒間銅絲清理和放電點處理

使用鑷子等工具將線棒間的銅絲夾出，存在放電的地方用記號筆標記出來以便處理。待銅絲全部取出后，使用砂紙細細打磨放電處，將放電產(chǎn)生的白色氧化層打磨掉，再使用專用的清洗液對發(fā)電機上層下層線棒進行清洗，并用高壓空氣吹，將線棒間殘留的銅絲和其他雜物清除掉。最后涂上紅色絕緣漆。

圖4 線棒放電點 打磨后的放電點 涂刷絕緣漆

3.2 更換阻尼軟連接

通過重新設(shè)計阻尼軟連接，使之在滿足原有功能需求的前提下，提高抗疲勞抗磨損的能力，杜絕運行情況下銅絲掉落到發(fā)電機內(nèi)部，故決定采用帶止口的新型軟銅片軟連接處理。該設(shè)計采用有限元法，運用結(jié)構(gòu)分析軟件 ANSYS 程序，對薄銅疊片式阻尼環(huán)軟連接進行強度計算分析，考核其強度水平。

（1）疲勞分析

疲勞分析技術(shù)路線基于ASME 規(guī)范，采用Miner累積損傷準則，進行疲勞壽命分析。

D=∑ni/Ni

Miner 累積損傷系數(shù)計算公式如下：

其中：ni為在一個應(yīng)力變化幅度（或者事件）范圍內(nèi)的載荷循環(huán)次數(shù)；

Ni為在一個應(yīng)力變化幅度（或者事件）范圍內(nèi)的需用載荷循環(huán)次數(shù)，是通過S-N曲線獲得的；D為累積損傷系數(shù)。

如果在所計算的載荷循環(huán)次數(shù)內(nèi)，累積損傷系數(shù)D不大于1，那么在這些所計算的載荷循環(huán)內(nèi)，疲勞壽命是安全的。

表3 載荷循環(huán)次數(shù)計算

此處將材料持久極限作為1 000 000 次循環(huán)應(yīng)力點為安全保守算法。

考慮 99%樣本成活率和有限元計算規(guī)范：即交變應(yīng)力乘以50%作S—N曲線的對應(yīng)點修正。根據(jù)疲勞計算理論：SMN=C(常數(shù))，計算得到：M=8.53

在額定工況，考慮平均應(yīng)力，采用Goodman 修正進行疲勞計算得到：薄銅疊片式阻尼環(huán)軟連接的屈服極限為150 MPa，材料強度極限為200 MPa，根據(jù)力學(xué)理論，薄銅疊片式阻尼環(huán)軟連接材料交變循環(huán)的S—N曲線對應(yīng)點近似如下：

N≈77 600（啟機—額定—停機循環(huán)次數(shù)）

在飛逸工況，采用Gerber 修正進行疲勞計算得到：

N≈26（允許飛逸次數(shù)）

表4 薄銅片式阻尼軟連接材料疲勞壽命

疲勞損傷因子計算假定：50 年內(nèi)每天啟停機1次、飛逸2 次計算。

（2）分析總結(jié)

從計算結(jié)果可以看出：薄銅疊片式阻尼環(huán)軟連接的應(yīng)力明顯偏高（飛逸工況下，線性計算時已大于材料強度極限）明顯進入了塑型屈服段，因此阻尼環(huán)軟連接的強度水平不能滿足剛強度設(shè)計準則；但經(jīng)過材料非線性計算后發(fā)現(xiàn)：阻尼環(huán)軟連接設(shè)計50 年運行，其疲勞損傷程度為0.313，即阻尼環(huán)軟連接壽命能達到155 年。

4 總結(jié)

由于電磁力和離心力的作用，阻尼軟連接會逐漸磨損表面起毛刺，嚴重的會斷股，進而使得大量銅絲散落在線棒中導(dǎo)致線棒放電，對機組安全穩(wěn)定運行造成嚴重隱患，所以在機組檢修期間應(yīng)該檢查其阻尼軟連接的狀態(tài)，以便在阻尼軟連接形成斷股前將其更換。