万家寨水电站水轮发电机定子铁心溢出及改造的必要性分析

王超羽

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津300222）

万家寨水电站水轮发电机定子铁心溢出及改造的必要性分析

王超羽

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津300222）

万家寨水电站水轮发电机定子铁心溢出造成安全隐患，影响到机组的安全运行。对定子铁心溢出的原因进行分析，并对定子改造的必要性进行论证，供发电机改造参考。

水轮发电机；定子；铁心；溢出；线棒；绝缘；穿心螺杆

1 工程概况

黄河万家寨水利枢纽位于黄河北干流上段托克托至龙口峡谷河段内，是黄河中游开发的第一级，其主要任务是供水结合发电调峰、防洪、防凌。枢纽水电站安装6台单机额定容量180MW的混流式水轮发电机组，总装机容量1 080MW，设计年发电量27.5亿kW·h。

万家寨水利枢纽由水利部、山西省、内蒙古自治区三方共同投资。1998年11月28日第1台机组发电，1999年8月7日和12月23日2、3号机组顺利投产发电，到2000年12月后续3台机组也全部并网发电，投入商业运营。

万家寨水电站属于华北和内蒙古蒙西电力系统，电站调峰大大改善了系统供电质量，向系统提供了绿色清洁能源，节能减排效益显著。

万家寨水电站1—4号水轮机及6台调速器由天津阿尔斯通公司成套供货；5、6号水轮机由上海福伊特西门子水电设备有限公司（原上海希科公司）成套供货；哈电公司承担6台发电机的成套供货。水轮机主要参数见表1，发电机主要参数见表2。

表1 水轮机主要参数

表2 发电机主要参数

2 水轮发电机检修发现问题及临时处理措施

万家寨水电站第1台机组（1号机）自1998年发电，至今已经安全运行15年，其他机组也安全运行十多年。随着机组运行年限的延长，机组设备过流部件、电气设备等部位均不同程度地出现裂纹、磨蚀、锈蚀、老化等缺陷，机组安装或产品本身固有的一些隐性缺陷也开始逐步暴露显现。机组大修发现的主要问题是发电机定子铁心溢出，比较严重的是3、4、5号机组。

在2010年4月25日—6月25日进行的4号机组第二轮大修过程中，首次检查发现发电机定子铁心溢出问题。拆除全部定子线棒后检查发现铁心装配质量较差，铁心波浪度严重超差，上下端铁心很松。现场进行了铁心的波浪度、紧度及长度的测量。测量数据反映出铁心把紧前齿部波浪度15mm，超差5mm，且相邻铁心长度尺寸相差较大，最严重的问题是齿部比轭部长度平均大4mm，以此推算靠定位筋处的轭部要比齿部长度小8mm左右。

4号机组定子铁心溢出，使线棒绝缘破损，甚至造成绝缘击穿，严重威胁电站的运行安全。在4号机组大修期间，采用“拆除全部线棒—线棒修复（部分返厂、部分现场修复）—溢出铁心修锉—铁心专项压紧—加装不锈钢档片—线棒回装”的临时处理方案进行了定子铁心溢出专项处理，以使机组能够正常运行。采用同样的方法，结合3、5号机大修对其定子铁心溢出均进行了处理，花费了大量的人力、物力。

3 水轮发电机定子铁心溢出原因初步分析

根据万家寨电站3、4、5号机出现的问题，初步分析定子铁心出现溢出、翘曲等问题的主要原因是机组安装过程中定子铁心压紧度不够、波浪度较大造成的。定子铁心经长期运行后逐渐出现松动，并且在不断热胀冷缩中出现铁心端片溢出及翘曲等问题。具体原因分析如下：

（1）定子铁心定位筋弦距超差较大，造成定子冲片叠装过程中定位筋发卡，铁心冲片不能有效压紧，造成波浪度超差。

（2）水轮发电机定子铁心轴向压紧采用的是背部拉紧螺杆压紧结构，拉紧力是由齿压板分别作用于铁心和机座，拉紧螺杆的拉紧力只有一部分作用于铁心，且铁心受力点集中在铁心外侧，使铁心冲片压紧时外侧受力大、内侧受力小，该结构不利于铁心齿部压紧。机组经过长期运行可能出现铁心松动的问题。

（3）万家寨水轮发电机转速较低、定子直径较大，机组运行时定子铁心与机座间存在较大的热应力，铁心松动到一定程度时波浪度逐渐加大，使铁心产生翘曲问题，铁心损耗、振动变大，并逐步加剧。

（4）按当时的设计规范定子铁心单位片间压力较小，铁心容易出现松动问题。

（5）当时定子冲片采用的是环氧有机漆，铁心未采用蝶形弹簧压紧结构，铁心压紧及测量工具落后，机组运行一段时间后冲片漆膜变薄，出现铁心松动问题。

综合上述分析，万家寨发电机定子铁心溢出有其本体结构的原因，也有安装质量问题。

4 水轮发电机定子改造的必要性分析

3、4、5号机定子铁心溢出问题十分严重，已经影响到机组的安全运行。尽管万家寨水电站花费了大量时间和经费，结合机组大修，对定子铁心溢出的安全隐患进行了临时性处理，但临时处理方案只是针对定子铁心溢出部位进行打磨、线棒拆除并进行绝缘修复、铁心重新压紧、端部铁心加不锈钢挡片限位处理，只能维持机组短期运行，并没有对定子铁心端片溢出的安全隐患进行全面根治，机组还存在诸多安全问题和隐患。

（1）由于铁心变形较大和局部翘曲变形严重，虽然专项处理时对定子铁心进行了重新压紧，但因为铁心没拆，定位筋弦距误差无法调整，所以波浪度仍然偏大、严重超标，临时性处理方案无法达到设计要求。定子铁心存在电磁振动加大、损耗、发热增大及发电机效率降低等问题，而这些问题将进一步加剧铁心翘曲的安全隐患。

（2）定子铁心不仅径向变形大，在圆周方向也存在较大变形，且临时性方案无法彻底处理，同时存在圆周方向铁心突出挤压破坏定子线棒绝缘问题。

（3）从4号机测量数据可以看出定子铁心齿部比轭部长度偏大约4mm，靠定位筋处的轭部要比齿端部长度小8mm左右，齿胀严重，此次铁心专项处理没有拆除铁心，所以无法解决齿胀问题。齿胀是引起机组运行中铁心松动的主要原因，因此存在铁心进一步松动的可能性。

（4）3、4、5号机铁心端部加装不锈钢挡片的临时处理方案，使发电机长期运行可能存在因铁心振动造成片间短路及铁心烧损的隐患。

（5）原来的铁心压紧结构没有改变，上述临时处理方式没有从根本上改变铁心整体受力不均匀的问题，所谓治标不治本，经过一段时间运行，还会出现类似问题，安全隐患依然存在。

（6）发电机定子线棒有现场修复、返厂修复、重新订制三种类型。线棒现场修复工艺影响因素较多，不能保证其达到原设计要求；返厂修复线棒仅做绝缘更换处理。现场修复、返厂修复的线棒均是旧线棒，本就存在固有绝缘老化，反复拆装对线棒绝缘造成损伤的可能性很大，老化与拆装的联合作用对线棒绝缘寿命会有较大影响，线棒运行存在一定的隐患。

万家寨电站3、4、5号机组定子铁心溢出程度相近，铁心局部翘曲变形十分严重。按照目前的处理方式，不能彻底解决定子铁心翘曲变形和波浪度超标以及铁心齿胀问题，存在铁心进一步松动、端片继续溢出并损伤线棒的隐患。同时，存在发电机运行过程中铁心电磁振动加大、损耗增大及发电机效率降低等问题。

若发电机不经处理继续运行，线棒绝缘将进一步受铁心突出片的损伤，随时都会发生定子接地事故，事故进一步发展致使发电机相间短路，从而发生定子绕组及定子铁心烧毁的恶性事故，并将可能波及到发电机转子等部分的安全。

同时，由于定子铁心溢出使得大修时间延长2个月，耗费大量的人力、物力，影响机组发电，赶上黄河丰水年必然造成较大的电量损失。

综上所述，发电机定子改造势在必行。

5 结语

万家寨水电站水轮发电机定子铁心溢出造成线棒绝缘受损，影响机组的安全运行，发电机检修耗时长，使检修费用增加，应引起水电同行的高度重视。大中型水轮发动机定子铁心应采用穿心螺杆和碟形弹簧压紧结构，为减小定子铁心由于受热膨胀而产生热应力，叠片时用双鸽尾筋定位，两端用定子齿压板及穿心拉紧螺杆将铁心牢固地夹紧，以防止铁心松动。定子组装时应高度重视组装工艺、质量，精益求精，把定子铁心的翘曲变形减至最小，确保定子铁心运行后的圆度，避免定子铁心溢出现象，确保机组安全稳定运行。

TV734.2+1；TM312

B

1004-7328（2014）06-0059-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2014.06.022

2014-07-12

王超羽（1968-），男，高级工程师，主要从事水力机械专业设计工作。