水轮发电机定子铁芯松动引发接地故障的分析及返修预防处理

易桂林 王永 龙小波

摘要：本文主要讲述水轮发电机定子铁芯局部松动及局部热点处理措施及其预防措施。以多个电站因定子铁芯质量导致定子击穿事故为倒讲述了局部松动及局部热点的危害性及相应的返修处理措施，并提出相应的预防措施。本文重点对定子局部松动及局部热点返修及预防措施作了介绍。

关键词：定子铁芯;局部松动;局部热点;定子绕组;绝缘老化

水发机定子铁芯是构成水轮发电机定子的重要部件，也是电机磁路的重要组成部分也是安放定子绕组的部件，属于发电机的核心基础部件。发电机运行时，定子铁芯将受到机械力、热应力及电磁力的综合作用。定子铁芯的压装质量直接影响定子的性能及寿命，定子铁芯压装质量对定子性能的影响主要体现在局部松动及局部热点两方面。

1、定子铁芯局部松动及局部热点的危害性

定子铁芯因定位筋装配质量、压装紧量不足等因数的原因致使定子铁芯在长时间运行过程中逐步出现局部松动现象。定子铁芯局部松动处由于机械振动磨损致使冲片绝缘磨损，进会导致局部热点的形成，故定子铁芯局部松动一般会伴随着局部热点，局部热点一般都位于局部松动处。另外，由于冲片本身突出毛刺、叠片槽型不整齐及打槽楔挤压等原因造成冲片的粘连也会产生局部热点。

铁芯松动处由于长时间局部过热、振动磨损会逐步造成齿部矽钢片烧蚀，严重时会发生断齿现象。定子绕组线棒由于紧贴铁芯，局部发热会加速线圈绝缘老化，铁芯松动处冲片磨损线圈表面绝缘也会造成绕组绝缘损伤。当绕组绝缘损伤至一定程度后导致绕组绝缘薄弱处击穿。

2010年09月12日，某水电厂2号发电机满负荷状态下机组零序保护动作事故停机，事故后经检查确认定子绕组A相绝缘对地击穿。经检修单位将发电机转子吊出后，检查定子发现定子铁芯上端部梯形段多处松动，铁芯齿部矽钢片已经严重烧蚀（如图1）。

定子绕组线棒由于紧贴铁芯，铁芯短路造成涡流发热，多根线棒绝缘已局部受损。清洗定子绕组表面后，检查定子铁芯上部梯形段受损严重，受损铁芯由于短路涡流已将矽钢片烧蚀形成孔洞。在定子绕组第79槽上端部槽口找到故障点，解开线棒后发现线棒上部局部有坑洞和裂纹，并掏出一块已断裂的铁芯残片（如图2）。由此可以排查出此次绕组绝缘击穿的主要原因是由于铁芯断裂后由于振动磨损线棒，线棒绝缘受损至一定程度后导致定子绕组的击穿。铁损试验是检查定子铁芯绝缘情况比较有效的方法，事故后，通过铁损试验检查发现铁芯松动处温升相对较高，均为局部热点。

2018年10月10日，某水电站4号机定子绕组A相击穿，经检修单位将发电机转子绕组吊出后，检查定子绕组发现;1、定子铁芯上部存在局部松动现象，多处铁芯松动处存在灼伤痕迹，一处定子铁芯（故障点处）已断齿;2、拆下的故障线（如图3）存在局部绝缘破损、表面绝缘层存在碳化现象。

因定子铁芯局部松动及局部热点造成的定子铁芯局部烧损、线圈绝缘磨损及绝缘老化加速到一定程度后导致定子绕组击穿事故的案例较为普遍，给电站方及设备制造厂都带来较大的经济损失。

2.定子铁芯局部松动及局部热点返修处理

为保障机组的正常运行，需处理定子铁芯局部松动及局部热点后更换受损线圈。返修处理措施分为彻底处理措施及临时处理措施，根据电站实际情况采取合理的返修措施以最大程度减少损失。

彻底处理措施需拆下全部定子线圈，全部或部分定子冲片，重新叠片、下线。如定子铁芯上下端多处存在局部松动，冲片绝缘损伤严重，一般采取拆下全部定子冲片，复检定位筋尺寸合格后用清理后重新进行绝缘处理的旧冲片或新冲片重新叠片;定子铁芯压装后进行铁损试验，重点检查是否存在局部热点;铁芯紧量也需同时预以控制，严格控制拉紧螺杆螺母扭矩，必要时增加整体热压要求以保证铁芯紧量;定子铁芯叠装过程中还需严控铁芯槽质量，特别是鸽尾槽处槽型整齐度，以防定子下线打槽楔时挤压突出片致使铁芯局部粘连进而产生局部热点。

由于彻底处理措施处理周期相对较长，如事故发生在丰水期，如采取彻底处理措施修复定子铁芯，电站发电损失较大。为减少电站损伤，可暂时采取临时处理措施保障机组短期运行，待机组例行大修时再采取彻底处理措施进行二次返修处理。

临时处理措施一般采用清理局部松动及热点后刷涂室温固化环氧胶的方式进行片间绝缘处理，再使用绝缘楔子板楔紧铁芯并对绝缘楔子板进行必要的固定处理。临时处理措施只是针对性的对铁芯已发现的清理局部松动及热点进行了简单的处理，使定子铁芯能保障机组的短期运行，未彻底消除铁芯隐患，不能作为处理铁芯问题的最终处理措施。

某水电厂2号发电机在2008年初处理遗留焊条磨穿线圈绝缘事故时首次发现定子铁芯有松动现象，由于抢修时间原因，当时采取了临时处理措施对铁芯局部松动问题进行了处理，但未彻底地处理铁芯问题，导致2009年9月因铁芯局部松动问题损伤线圈绝缘定子绕组再次击穿。此次该电站采用了拆下全部定子冲片重新叠片下线的返修方案对铁芯松动问题进行了彻底的处理，2号发电机恢复运行至今未再出现因铁芯松动问题導致的发电机定子击穿事故。

3。定子铁芯局部松动及局部热点形成的原因及预防措施

压紧力不足是造成定子铁芯松动的重要原因。定子铁芯在装压过程中，最关键的是铁芯能否压紧，而铁芯能否压紧直接与定子铁芯的压力有关，铁芯压力的大小是定子铁芯叠压的关键因数之一。一般中、小型水轮发电机定子铁芯长度在1-2m范围内，建议定子铁芯压力值在1.2-1.5MPa，对于大容量、长铁芯水轮发电机，应视其铁芯固定方式和拉紧螺杆的材料，同时借鉴一些大型电机的运行经验、合理的选择定子铁芯的压力值。压力值的大小通过计算可以以拉紧螺杆螺母扭矩值来体现，控制拉紧螺杆螺母扭矩值即可保证一定的压力值。

定子铁芯在装压过程中，应进行分段预压和整体压紧，应根据铁芯长度确定分段预压高度，一般每段不宜超过600mm，以300～500mm为宜。铁芯在装压过程中叠片高度应考虑整体压紧和热压的压缩量，一般热压的压缩量应根据铁芯长度的0.2%-0.3%考虑，并平均分配到每一叠片段中。

为保证定子铁芯的整体压紧质量，在定子铁芯压紧后铁损试验之前对定子铁芯特别是特别是大容量、长铁芯机组的定子铁芯应增加一次整体热压要求，可采用布置电加热器等外加热方式将定子铁芯加热至60-80℃上下，最大不宜超过100℃，保温4小时左右后冷却至室温，在冷态下重新压紧定子铁芯。经过整体热压的定子铁芯，在振动、噪声、温升方面一般都会有明显的改善，铁芯长度相对整体热压前会相应减短，可有效预防铁芯松动。

定子铁芯局部松动处因振动片间绝缘磨损必会造成局部热点。另外因冲片毛刺、冲片漆膜损伤、打槽楔挤压突出片也会造成铁芯片间粘连导致局部热点。保证冲片本身质量、保证铁芯槽型质量、保证叠片时冲片无机械损伤可有效预防因冲片片间粘连导致的铁芯局部热点。

总结

定子铁芯在装压过程中，通过分段预压，整体热压及保证拉紧螺母扭矩值可有效保证定子铁芯紧量，预防定子铁芯在长运行过程中出现松动或局部松动现象。定子铁芯在装压过程中使用质量合格的冲片、保护冲片绝缘免受机械损伤、控制铁芯槽型及保证定子铁芯紧量，可有效地预防铁芯局部热点的产生，可有效预防因定子铁芯局部松动及局部热点导致的定子绕组击穿事故。