沙湾水电站1#机组定子铁芯变形故障分析及处理

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(1.中国水电建设集团四川电力开发有限公司，成都，610041；2.四川圣达水电开发有限公司，四川 乐山，614900)

1 概况

四川大渡河沙湾水电站位于四川省乐山市沙湾区葫芦镇河段，为大渡河干流下游河段梯级开发的第一级水电站，开发任务是以发电为主，兼顾灌溉。水库正常蓄水位432.0m，总库容4867万m3。沙湾水电站安装4台单机容量120MW的轴流转浆式水轮发电机组，装机总容量480MW。2005年12月主体工程开工，2009年4月首台机组并网发电，2010年3月4台机组全部并网发电。

沙湾水电站4台水轮发电机组由东方电机厂制造，型号为SF120-78/13200，1#机组于2009年4月投产发电。在投产后短短几年间，生产运行人员便发现机组存在振动和噪声偏大的问题，并经过一段时间的观测，发现振动随负荷的增加而加大，且不同方向振动和噪声均不一样。为了探寻其原因，我们利用机组检修的机会，对1#机组进行了全面检查，发现1#机组多处存在定子铁芯变形问题。

2 定子铁芯检查情况

对1#发电机上下端部同一轴线16个方向的空气间隙、定子铁芯波浪度、波浪范围、铁芯高度、铁芯松动间隙及拉紧螺杆扭矩进行了测量，其空气间隙测量示意见图1所示。

图1a 图2b

图1 发电机16个方向空气间隙测量

数据表明：①上部平均间隙16.82mm，略小于标准间隙(17mm)。最大间隙17.90mm，与平均间隙之差为1.08mm，为平均间隙的6%。最小间隙15.16mm，与平均间隙之差为-1.66mm，为平均间隙的-10%；②下部平均间隙17.18mm，略大于标准间隙(17mm)：最大间隙18.38mm，与平均间隙之差为1.20mm，为平均间隙的7%；最小间隙16.10mm，与平均间隙之差为-1.08mm，为平均间隙的-6%。以此判断出1#发电机可能存在定转子不同心。

拆除机组12个空气冷却器，仔细检查定子铁芯，发现有10处位置段出现铁芯变形，所测数据大多超过图纸要求铁芯高度(1528mm～1535mm)的标准范围，其具体数据及测量示意见表1、图2。

表1 铁芯变形检查测量

图2 铁芯变形示意

用电动液压扭矩扳手预紧拉紧螺杆螺栓时，部分螺杆力矩仅为1100N·m左右，远未达到设计值1520N·m。

在检查中还发现，部分铁芯冲片与定位筋接触处存在断齿现象，断裂造成的微小碎片掉落于机组环板处。在1#空气冷却器处，一定位筋与托板接触处损坏，掉落一块约30mm长弧形碎片，由此可判定1#发电机组定子铁芯存在松动现象。

3 定子铁芯变形危害及原因分析

定子铁芯变形将会形成一种磁振动，如果机组长期在这种状态下运行，势必会引起机组噪音增大，振动加剧，破坏原机组的磁路线，形成不正常、不规则的磁路，改变原机组的正常运行状态，造成定、转子内部结构的损坏，给机组结构造成无法预知的破坏，进而导致重大事故。形成的原因主要有以下几种：

3.1 机组安装质量问题，特别是定位筋的安装至关重要。在挂定位筋时，要充分考虑定位筋与冲片间隙配合，沙湾水电站1#发电机定位筋与冲片间隙设计值为0.2mm，而实际上有很多变形的硅钢片长度远超两条定位筋之间的距离。

3.2 定子硅钢片的质量较差、绝缘漆或氧化膜厚度不均匀，硅钢片有不同程度的不平度或去毛刺不彻底。这些都会影响到定子铁芯的安装质量。如果存在以上因素，在定子铁芯装压时就压不紧、压不实，在安装后波浪度也较大，这正吻合了实测结果。诚然，哪怕在机组安装时定子铁芯确已压紧，但在机组运行时由于巨大的电磁力矩以及多次开停机热胀冷缩的作用，也会导致定子铁芯松动。

3.3 发电机定子铁芯压紧工艺难度较大，特别是手工压紧更是如此。在定子铁芯现场叠片组装后，不能完全确保192根螺杆对铁芯的压紧力一致，在1#发电机启、停过程中，由于热胀冷缩不均匀，会导致铁芯波浪度以及硅钢片层间间隙增大。

3.4 定子铁芯拉紧螺杆质量问题。沙湾水电站定子铁芯的拉紧螺杆扭矩为1520N·m，要承受如此高的力矩对应的拉力，对拉紧螺杆的机械强度有较高的要求。如果材料质量不好，其机械性能将会受到限制，不能获得较高的片间压力和装压质量。

3.5 定子铁芯拉紧螺杆的把合螺母没有采取可靠的锁定措施，也是造成定子铁芯松动的重要原因。1#发电机组在运行过程中，由于要受机械和齿谐波振动的作用，把合螺母在这种交变压力的长期作用下会出现松动，从而造成定子铁芯的松动。

4 定子铁芯变形防范措施

4.1 加强1#发电机组安装质量的控制，防止定子铁芯在运行中出现松动。在定子铁芯装压的过程中，重点要对定位筋的安装调整、叠片控制、铁芯的压紧等加强控制。由于目前一般都采用浮动定位筋，因此在定位筋与托板间预留的间隙就显得尤为重要。在定子装压的整个过程中，都要确保测量数据的准确性、真实性及可靠性，以保证定子铁芯的安装质量。

4.2 定子铁芯硅钢片选材用低损耗、无老化、高导磁率的优质冷轧硅钢片，两侧涂刷的绝缘漆厚度均匀且不应超过0.025mm；拉紧螺杆采用高性能冷拉圆钢管，其机械强度应能满足所承受的拉力，以保证硅钢片的层间压力和安装质量。

4.3 为控制定子铁芯的热膨胀量，可增加通风沟的数量。这样冷却空气在定子铁芯内部流通时更加顺畅平衡，使定子铁芯冷却更均匀、更充分，提高了定子铁芯的冷却效果，减少了定子铁芯因温度升高所引起的热膨胀量。

4.4 为增加定子铁芯刚度，便于定子铁芯压紧，减少定子铁芯振动，在定子铁芯轭部增加高强度的、非磁性穿心螺栓，以加强定子铁芯的把紧力。同时，在穿心螺杆和拉紧螺杆端部装设蝶形弹簧，使压紧后的螺杆有一定的伸长值，加之蝶形弹簧有一定的压缩量，所以当定子铁芯长期运行后发生伸缩时，螺杆的伸长和蝶形弹簧的压缩量可以起到补偿作用，仍能维持对定子铁芯必须的压紧力，保证定子铁芯长期运行后不会松动。

5 1#发电机组定子铁芯变形处理方法

利用电动液压扭矩扳手，分别把紧192个拉紧螺杆螺栓。由于定子铁芯下部拉紧螺杆螺母已被点焊，所以只需把紧铁芯上部拉紧螺杆螺栓即可。整个把紧过程分4个回合，每个回合都是一圈，分别对称、分次把紧，对应的把紧扭矩依次为1100N·m、1300N·m、1400N·m、1520N·m。每次把紧后都要测量铁芯高度、定子绝缘，意在对比压紧情况，分析拉紧过程中定子绝缘是否受损。

通过对拉紧螺杆螺栓把紧，定子铁芯松动现象有所好转。拉紧处理后铁芯变形松动处高度值、范围及松动间隙数值见表2所示。

表2 拉紧处理后铁芯变形测量

利用电动液压扭矩扳手把紧拉紧螺杆螺栓，能够对铁芯变形起到很大抑制作用，但是，在铁芯变形松动处上部粘胶片与普通片之间仍然存在累积间隙，所以还需要采用斜楔子对间隙进行打紧处理。楔子由环氧酚醛玻璃布板3240制成，分为长度为100mm、250mm的两种规格，分别对10处松动处进行打紧处理。如果不打楔子，那么松动的硅钢片在巨大的电磁力矩作用下，会产生来回弹动，长期反复以往，硅钢片片间绝缘就会损坏，在内部形成涡流，造成铁芯发热。如果不及时处理，将会恶性循环，绝缘被大量损坏，发热现象越发严重，甚至导致机组重大事故。

通过以上两种方法处理，机组在恢复后带负荷运行时噪声和振动明显减小，1#发电机组层噪声没有“嗡嗡声”。经对定子机座的水平振动测试(处理前、后数据对比详见3)，机座水平振动明显下降，效果明显。

表3 定子机座水平振动测量

6 结语

造成发电机组定子铁芯变形的原因有很多，若不加以及时处理，将会为以后发电机组运行埋下极大的安全隐患。但是，该问题很多时候都是在机组已经安装成型且投产使用一段时间后才会暴露出来，采用定子铁芯拉紧与加打楔子处理，是一种既能满足功能需求，同时也能最大限度控制维护费用的方法，值得推广应用。