大型水轮发电机定子铁心端部窜片故障分析及改进措施

张志勇，李志鹏，刘小云，张小东，胡晓芬

（1.长沙理工大学，湖南 长沙 410114；2.五凌电力三板溪水电厂，贵州 锦屏 556500）

大型水电厂在电力系统中担负调峰调频和事故备用的重要任务，必须保证机组安全稳定运行。由于水轮发电机连续多年的运行，以及其它各种因素的影响，将导致定子铁心压紧力逐渐减小，甚至发生松动、窜片现象，严重威胁发电机的安全稳定运行。因此，研究水轮发电机定子铁心松动、窜片原因及改进、预防措施，对保证机组安全稳定运行意义重大。三板溪电厂位于沅江上游清水江，安装4台255MW混流式水轮发电机组，保证出力235MW，年发电量24.28亿kWh，电厂于2006年投产发电。机组由哈尔滨电机厂生产，发电机型号是SF255-36/10200。2016年8月22日，三板溪3号发电机定子铁心下端硅钢片窜出，发生金属性接地；对其他三台机组检查，发现1号、2号发电机定子铁心也存在同样问题。经研究，确定故障原因，通过改进定子铁心硅钢片结构、增强端片的整体性、改善定子铁心硅钢片叠装工艺流程等新的技术，彻底解决定子铁心端部硅钢片窜出的重大问题。

1 定子铁心故障情况

2016年8月22日，三板溪3号发电机定子A相发生接地，检查发现定子铁心下端部硅钢片窜出，最大8毫米，切入下层线棒，导致发生线棒金属性接地。电厂对其他三台机组检查，发现1号、2号机定子铁心下端部硅钢片均存在不同程度的窜出，其中3号机最为严重，2号机次之，1号机最轻。

（1）3号发电机铁心故障情况：3号机最下层硅钢片窜出部位基本位于28号、11号硅钢片之间，即面向电厂下游方向，最下层硅钢片窜出部位基本位于定子铁心左半部分。共有24片滑移窜出，其中有8片窜出量大于4mm。具体分布如图1。

图1 3号机定子铁心窜出硅钢片分布图

（2）2号发电机铁心故障情况：与3号机组相比，2号机定子铁心最下层硅钢片绝大部分已窜出，并且部位呈无规律状态。具体分布如图2。

图2 2号机定子铁心窜出硅钢片分布图

（3）1号发电机铁心故障情况：1号机定子铁心最下层9片硅钢片存在窜出情况，分布在发电机中性点至出口部位，最大窜出量不超过2mm。具体分布如图3。

图3 1号机定子铁心窜出硅钢片分布图

（4）故障照片（图4～图9）。

图4 定子铁心槽内定子硅钢片突出

图5 定子铁心槽口硅钢片突出

图6 穿心螺杆绝缘套被切穿

图7 定子硅钢片切割定子线棒部位深度

图8 穿心螺杆孔卷曲变形

图9 鸽尾卷曲变形

2 定子铁心故障原因分析

2.1 定子铁心设计结构

三板溪发电机定子铁心的设计结构为常规结构。定子机座采用常规的大齿压板结构，有效保证机座的整体刚度和铁心的波浪度；定位筋采用双鸽尾浮动定位筋，可有效避免铁心翘曲，保证线圈绝缘安全可靠；铁心压紧采用穿心螺杆的典型结构；铁心硅钢片端部采用粘接技术，保证铁心端部整体性，有效防止冲片逸出。

这种定子铁心设计结构是发电设备制造厂通常采用的常规结构，例如白山、白色、洪家渡、索风营等电厂，以上电厂均已发电10年以上，至今运行稳定。

2.2 定子铁心端部窜片的形成

由于机组在多次起、停机时铁心温度发生变化，定子机座与铁心之间存在温差，铁心和机座径向膨胀程度不同，定子铁心端部硅钢片与齿压片间的摩擦力大于其相邻硅钢片间的摩擦力，造成最下端硅钢片产生位移。

按设计理念，端部硅钢片工地安装时需要粘接成整体，硅钢片间粘接后的抗剪切力大于最下端硅钢片与下端齿压片之间的摩擦力，所以铁心与机座间的滑移将发生在最下端硅钢片与下端齿压片间。如端部硅钢片安装时粘接质量不好、粘接面积不够，机组长期运行后，硅钢片间的抗剪切力小于齿压片与端片之间的摩擦力，导致滑移发生在端片之间。在多次起停机引起的热胀冷缩作用下，使端片向内或外移造成端片窜动。定子铁心压紧结构及热膨胀时受力状态详见图10。

图10 定子铁心压紧结构及热膨胀时受力状态

2.3 定子铁心端片窜出的原因分析

（1）端片粘接不牢。端片粘接不牢的后果：端片整体性无法保证，冲片间的抗剪切力大大降低，使冲片间的抗剪切力小于端片与压指间摩擦力，造成片间滑移。造成端片粘接不牢的原因如下：胶的使用方法、控制检测不完善。胶涂刷面积及环境温度对胶粘接后强度影响较大，胶固化时间受安装间环境温度影响较大，在压紧前已固化，粘接后的端片间的粘接强度不够。

（2）铁心压紧度不够是否有影响。铁心压紧度不够引起的后果：压力无法传递到下端，使小齿压板侧紧，大齿压板侧松，导致铁心整体紧度不好，尤其是大齿压板侧端片的整体性差。大齿压板侧铁心整体性差或松动，会引起铁心翘曲、振动及噪音。严重的翘曲也可能会使粘接端片层间分离，造成冲片间的摩擦力减小，如硅钢片间的摩擦力小于端片与压指间摩擦力并相差较大时，即使硅钢片鸽尾也无法限制硅钢片间出现滑移。由于三板溪机组未曾发现严重铁心翘曲，铁心压紧度不够与端片窜出无直接关系。

（3）浮动定位筋是否是诱因。为防止铁心翘曲，哈电机组传统结构采用托块与鸽尾筋之间留有热膨胀间隙，以适应铁心与机座间由于温度不同造成热膨胀程度不同。此种结构型式称为浮动定位筋结构。此结构已应用了近20年。采用浮动定位筋，适应了铁心与机座温度不同热膨胀程度不同的需要，即铁心与机座间存在滑动。为避免端片与硅钢片间产生滑动，保证端片与硅钢片间剪切力（粘接后）大于端片与压指间摩擦力，采取从硅钢片起始36片硅钢片整体粘接的措施，计算和试验表明这项措施可以保证端片不发生逸出。万家寨发电机采用的是固定鸽尾筋，在运行10年后，有一台也出现了端片窜片现象。所以采用浮动定位筋结构与端片窜出无关。

（4）大齿压板结构铁心压紧的效果是否不如小齿压板结构。大齿压板结构方便水平的调整，有利于铁心压紧，并能改善铁心的波浪度，铁心装压的工艺性好于小齿压板。基于大齿压板结构的优点，20多年前开始广泛应用，并且小齿压板的结构基本被弃用。但是如果发生定位筋卡片时，大齿压板端铁心存在不易压紧的缺点。所以采用大齿压板时，定位筋挂装的精度、预压的效果就非常重要。上、下端均采用小齿压板的结构有利于上、下端部的压紧，但铁心的波浪度和下端压板水平的调整将非常困难，两种结构各有优缺点。如果只从端部压紧的效果看，小齿压板有一定的优势。哈电的白山4号、5号机的定子采用小齿压板和无间隙的鸽尾筋结构，运行30年后出现了端片突出的情况。从各类机组的事故现象分析，在保证铁心装配要求的前提下，两种齿压板结构技术上均可行，大小齿压板结构与端片窜出无关。

（5）机组运行状态对定子端片窜片的影响。三板溪首台机组发电至今已近10 年，机组参与电网调峰任务，启停次数频繁。本次发生定子接地事故的是3号发电机，该机组事故前为三板溪电站运行状态最好，启停次数最多的机组。机组发电已10年，定子铁心较最初发电时已发生松动，铁心整体性下降，长时间运行后，端部冲片整体粘接效果下降，机组频繁启停在一定程度上会加速端片滑移的几率，但如粘接质量好，可保证机组在各种工况下安全运行（如表1）。

表1 三板溪机组发电运行时间（截至2016.8.22）

2.4 结论

综上所述，可得出下面结论：第一，机组所采用的结构为哈电和其他国外公司的传统、成熟结构，与定子端片窜出问题无因果关系。第二，由于已出现问题的三板溪未曾发现严重铁心翘曲，铁心压紧度不够与端片窜出无直接关系。第三，浮动定位筋结构、大小齿压板结构型式与端片窜出无关。第四，定子铁心端片窜出的直接原因是：定子端片粘结失效、端片抗变形失稳能力下降。由于“端片粘接失效”，紧靠压指的扇形片，在机组运行时铁心热膨胀、停机后冷收缩的反复作用下，当扇形片与压指间的摩擦力大于该片与相邻端片的摩擦力时，发生扇形片不随定子铁心整体位移的问题，即发生窜片。另外，定子铁心“端片抗变形失稳能力下降”，在定子铁心长期运行松动，片间存在间隙的情况下，造成鸽尾变形、端片位移。

3 定子铁心改进措施

3.1 总体思路

针对故障原因，采取改进定子铁心硅钢片结构、增强端片的整体性、降低端片与压指的摩擦系数、改善定子铁心硅钢片叠装工艺流程等新技术，消除定子铁心端部硅钢片滑移窜出的设备隐患。

3.2 实施方案

“定子端片粘结失效、端片抗变形失稳能力下降”是三板溪电厂定子铁心硅钢片窜出的主要原因。

（1）为解决“端片抗变形失稳能力下降”，重新设计定子铁心端部阶梯段硅钢片，一是硅钢片鸽尾槽由半闭口改为闭口，二是在硅钢片轭部增加绝缘销，从单片结构上增加抗变形失稳能力。

①将硅钢片半闭口鸽尾槽（图11）改为闭口鸽尾槽（图12），可显著提升“端片抗变形失稳能力”，从而避免半闭口鸽尾槽卷曲，铁心定位筋对硅钢片限位能力失效。

②在定子铁心两端第一段硅钢片（包括基本片和阶梯片）每片轭部均匀布置3个φ20销孔（图13、14），配合安装材质为“环氧层压玻璃布棒”的绝缘销，进一步增加端片抗变形失稳能力。

图11 半闭口鸽尾槽

图12 闭口鸽尾槽

图13 硅钢片轭部加装定位销

图14 硅钢片轭部加装定位销

（2）为解决“定子端片粘结失效”，要求定子铁心端部阶梯片每6片在制造厂内热压粘接成一体，工地叠片时再进行摞间粘接。端部定子硅钢片的每6片在制造厂通过机械设备热压粘接成整体，避免了现场安装时端片人工刷胶不均的工艺风险，保证单片之间粘接牢固。现场安装时之需将每摞端片间错1/2进行叠装，摞间使用硅钢片专用粘接胶粘接，粘接面积不小于80%（图15）。

图15 每摞端片间错1/2叠装方式

（3）为进一步提升定子铁心整体性及绝缘性能，采取了在上、下压指与硅钢片之间涂抹二硫化钼润滑剂，改变铁心预压方式和固定方式，改变穿心螺杆绝缘方式的新技术，保证了定子铁心端部硅钢片滑移窜出隐患彻底消除。①定子叠装前，在压指与第一层端部冲片之间均匀涂一层二硫化钼，以降低压指与第一层定子硅钢片之间的摩擦系数，进而减小摩擦力，有利于使定子铁心整体滑动。②将铁心预压方式由原来风动扳手拧紧分段预压改为螺栓拉伸器分段预压，叠片受力更加均匀。③将定子铁心穿心螺杆固定方式由“自锁六角螺母+碟形弹簧”更换为“圆螺母+锁定薄螺母+碟形弹簧”方式，防止机组长期运行后定子铁心松动。④定子铁心穿心螺杆绝缘方式由分段式绝缘衬套改为全缠绕绝缘套筒结构，并在穿心螺杆端部增加绝缘螺帽，增加了穿心螺杆绝缘性能。

4 结语

2017年3月、5月，三板溪3号、2号发电机分别完成大修改造工作，各项试验数据合格，检修后一次开机并网成功，主设备各项运行数据优于检修前数据。两台机组经过数月的运行检验并经历了主汛期连续20几天的满发考验，运行指标优良、稳定可靠。大型水轮发电机组定子铁心新技术已在三板溪电厂3号、2号机定子改造中成功应用。