贯流式电站定子铁心端部冲片位移分析及处理

李兴邦

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150040)

0 引言

贯流式水轮发电机的发展有目共睹，目前世界上单机容量最大的贯流式水轮发电机是75MW，随着机组容量越来越大，开始出现了一些新问题。贯流式机组运行的电站(龙羊峡-刘家峡河段梯级开发规划的第四个电站)曾经发生过由于定子铁心端部冲片位移的现象，导致线棒绝缘切磨受损，引起定子短路。我公司就此现象进行分析，并根据结果提出了解决措施。

1 电站技术参数及故障现象

1.1 技术参数

电站发电机主要技术参数如下:

型号 SFG40.75-48/5835

额定功率 40750kW

额定电压 10500V

额定电流 2358.6A

额定功率因数 0.95

额定转速 125r/min

额定频率 50Hz

飞逸转速 350r/min

绝缘等级 F 级

气隙 8mm

定子铁心外径 5835mm

灯泡比 1:1.152

定子铁心内径 5340mm

每极每相槽数 2+3/4

定子铁心长度 2120mm

每相并联支路数 2

1.2 故障现象

该电站安装7 台4.05 万千瓦贯流式发电机组，总装机容量为28.35 万千瓦。定子装配总重100t，外形尺寸φ6500×3500mm。机座分四瓣，定子组圆、叠片、下线均在工地完成。机座采用大齿压板结构，上游侧法兰与下游侧法兰各加两道矩形密封槽，用橡皮条和密封胶保证机座与中间环和管型座的良好密封。各层环板间由立筋和钢管连接，环板上开有通风孔，已形成轴向通道。机座具有一定刚强度，保证定子整体翻身起吊时不产生有害变形。定子机座外径与水轮机转轮外径的比值称为灯泡比。定子铁心装配示意图如图1 所示。

图1 定子铁心装配示意图

事故的形成是在电站机组运行一年后，发生了定子短路事故。现场用内窥镜进行检查，观测到定子铁心端部冲片与齿压板有相对位移情况:发现靠近下游侧1 ～2 层定子端部冲片与齿压板存在3 ～5mm 位移，且线棒绝缘层有明显被刮削痕迹。铁心端部冲片位移如图2 所示。

图2 定子铁心端部冲片位移

2 端部冲片位移的原因分析

(1)电磁力

电磁力是指在发电机运行中，受电磁场的影响而产生的、作用在定子冲片上的径向力。是在负载运行时才产生，当停机后便不再存在。从定子铁心结构分析来看，端部冲片径向位移是受到径向力的作用。线棒绝缘的受损破坏是一个渐变的过程，先考虑是不是端部电磁力的影响，使得定子铁心端部冲片发生位移。经计算，此电站定子磁拉力对于定子铁心端部冲片产生的力，比定子冲片压紧后所产生的摩擦力之的千分之三还要小，不可能使定子冲片发生位移。

(2)运行工况

贯流式电站机组的运行受到很多方面的影响，首先是国家电网的调度，如果需要随时进行起停机，这个电站又承担调峰任务，多数时间处于起停机工况。事故发生后，查看电站的运行记录，年平均起停达120 多次。定子铁心处于的反复热胀冷缩过程中，下游侧定子铁心端片相对与定子机座上的齿压片的往复运动。

(3)通风分析

灯泡式贯流机组在水下是个密闭的空间，不同于立式发电机冷却方式，一般采用的是强制通风冷却。但缺点是定子铁心冷却不均，特别是下游侧定子铁心，它远离风机，冷却效果非常差。通过运行时在线监测定子温度得知，定子下游侧铁心运行的温度比上游侧要高。机组运行工况时显示，定子铁心的正常温度一般在75℃左右，定子铁心热膨胀量约为1.5mm。机组运行时发电机定子铁心温度不均匀，是定子两端高，中间低，最大温差为30℃。

带负载运行时监测温度显示:定子铁心中间段温度最低，上游侧温度居中，下端侧温度最高。而定子机座的温度一般是46℃，这样与定子铁心相比差29℃。机组在起动过程中定子铁心与机座之间已经有热膨胀差值，差值使冲片有相对位移的趋势。机组停机后，黄河上游流域水温较低，年平均水温只有11.8℃，定子机座是泡在冷水里，使得机座的温度很低，所以一旦停机后机组降温的速度很快。定子铁心与机座冷却过程中由于材质的不同，存在温度差和降温速率的差异，因此造成定子冲片与定子齿压板间的运动不同步。冷热的过程频繁，使定子冲片长期处于热胀冷缩的状态中，如果定子冲片叠压存在瑕疵，更容易使端部冲片的发生位移。

(4)热应力(热胀冷缩)

铁心的热应力是由铁心发热引起的，当发电机带负荷运行时，因铜耗和铁耗产生热量，使铁心温度上升，而发电机停机后，铁心温度逐渐下降。因此，定子铁心是在开、停机过程中不断受温度变化而周期地热胀冷缩。

发电机定子铁心的热应力是一个变化的量，受外部环境影响最大。经设计人员反复地计算分析，认定应是机组起停机时定子温度的冷热变化，定子铁心与定子机座之间存在温差，使得定子机座、铁心的热胀冷缩量存在偏差，导致定子铁心与定子机座间有相对位移。

(5)摩擦力

摩擦力主要是指定子铁心冲片间、冲片与齿压板间产生的摩擦力。摩擦力是由摩擦系数决定的，定子铁心内部的摩擦力相对稳定。但定子冲片与齿压板的材质不一致，造成摩擦系数的差别，端部冲片摩擦力与片间摩擦力存在差异。

由于安装、制造偏差等因素使得定子铁心端片的上下表面的摩擦力存在差值，即铁心冲片间的剪切力和静摩擦力小于齿压板与铁心端部冲片之间的摩擦力。产生的径向力将会引起定子端部冲片相对的位移，在这种位移变化过程中，个别端部冲片逸出，对线棒产生持续的切磨。由于不同的条件和环境，变化量会有所不同，但最终结果是一样的，量变的积累会引起质变。

3 解决方案

事故发生后，我们根据现场的实际情况采取了如下措施。

(1)重新叠装定子冲片。首先粘结端部冲片成阶梯片，在厂内(可提高粘片质量的控制)将定子端部冲片的每6 片粘接成一摞，粘接方法应严格按工艺守则进行，保证粘接质量。工地叠装每摞定子扇形片后粘接，每摞之间要相互交错，用粘接胶粘接。通过实验和计算得出，用环氧胶进行粘接后的剪切力远远大于定子冲片的片间压力。定子冲片重新进行叠装时，在齿压板的压指与第一层定子端部冲片间涂二硫化钼，起到润滑作用，降低摩擦系数，使摩擦力变小。

(2)在定子下层线棒的上、下端铁心槽口处安装0.2 厚“U”形不锈钢保护垫条(要求其导磁率小于1.07)。保护垫条的安装位置，在使“U”形保护垫条的出铁心端长于铁心端部10mm 处的位置，关键是注意找准槽口的位置。是为了保护线棒不受位移的定子铁心冲片的切磨。在槽内加“U”形垫条，可能会增加损耗引起发热，但影响不大。

“U”型保护垫条内腔尺寸比线棒最大正公差尺寸大0.1mm，现场根据线棒尺寸随形弯制。在“U”形保护垫条内表面涂层硫化半导体硅橡胶，安装在线棒出槽口处。待半导体硅橡胶固化后，除去溢出的硅橡胶并清理。“U”型保护垫条安装示意图如图3 所示。

图3 “U”型保护垫条安装示意图

“U”型保护垫条的固定:在“U”型保护片两侧包0.1mm×25mm 的玻璃丝带ET100-25，并绕三层，包绕过程中应涂HEC56102 双组份固化胶。待“U”型保护垫片两边玻璃丝带绕包完成后，再在整个“L”区域并绕一层0.1mm ×25mm 的无碱玻璃纤维带 ET100-25，一边绕一边涂刷HEC56102 双组份室温固化胶。待无碱玻璃纤维带刷的胶完全固化后，用锉和砂纸修型，以使处理区域尺寸小于定子铁心槽尺寸。

“U”型保护垫条成型后用水砂纸打磨平滑光整，去掉四周毛刺。清理干净后，整个“L”区域涂刷一遍HEC56611 线性半导体低阻防电晕漆，未固化前将线棒装入槽内并压紧。将所有加装“U”形不锈钢垫条的槽，在线棒装入前，槽底垫一层2×24.2×1830半导体适形材料(槽楔打紧后，可压缩至0.3 ～0.5mm 厚)，以防止“U”无磁钢型保护片直接接触槽底铁心。

改进意见:(1)建议后续贯流式电站定子铁心的拉紧螺杆应考虑采用穿心螺杆结构。从其它电站的成功经验来看，穿心螺杆结构的采用不但能有效的减小了铁心波浪度，保证了铁心压紧质量，避免了铁心振动过大，温升过高等不良反应。还可以对定子冲片施加压力，使发电机的定子铁心受轴向的压力，防止铁心端片的位移;(2)原来定子的上下压齿采用大齿压板结构，优点是铁心冲片装压时波浪度好，但由于大齿压板的刚度较大，容易造成铁心各部分的片间压力不均匀。建议可采用小齿压板结构，有利于铁心的压紧和螺杆受力的调整。

4 结语

本文对贯流式机组定子铁心端部冲片位移造成停机事故进行了全面的分析和总结，经过3 年多的运行考验，证明了文中所提的定子铁心处理方案是切实可行的。对其它电站贯流式定子铁心冲片位移的处理，会有一定的参考和借鉴作用。

［1］ GB 8564—2003 水轮发电机组安装技术规范.

［2］ 白延年.水轮发电机设计与计算.北京:机械工业出版社，1982.

［3］ DL/T 5038—2012 水轮发电机定子现场装配工艺导则.

［4］ 刘玉兰.电机绕线转子线圈焊接工艺改进，防爆电机，2012.1.

［5］ 李兴平.60MW 水轮发电机改造定子铁心装配工艺研究，防爆电机，2012.2.