水轮发电机定子铁芯松动断裂原因分析与处理

四川华电泸定水电有限公司 吕春红

1 引言

某水电站位于四川省泸定县境内的大渡河干流上，安装4 台单机容量230MW 混流式水轮发电机组，总装机容量为920MW，电站主要任务为发电。发电机型号为SF230-60/14600，设备供应商为哈尔滨电机厂，水轮发电机基本参数如表1所示。

表1 水轮发电机基本参数

定子铁芯由定子扇形片、通风槽片、定位筋、齿压板、拉紧螺杆及固定部件等组成。定子铁芯通过拉紧螺杆压紧，冲片轭部鸽尾槽与定位筋相连，定位筋通过托块与定子机座连接为一个整体。定子铁芯端部采用3 段阶梯结构，阶梯冲片采用黏接技术，保证铁芯端部整体性。

2 异常现象

2021年12月，该水电站2 号机组大修过程中，检修人员清洗2台发电机定子时，发现定子第325槽旁挡风板外部有金属片穿透现象，挡风板上的金属片如图1所示。线棒绝缘受损如图2所示。

图1 挡风板上的金属片

图2 线棒绝缘受损

现场检查发现第325 槽所在位置齿部对应挡风板内有金属片散落，取下此处挡风板，发现该槽右侧铁芯靠近线棒侧阶梯齿只剩余4片，呈松动状态，且下齿压板压指偏离阶梯齿中心，线棒右侧表面绝缘损坏较严重。针对以上情况检修人员进行全面检查，发现2号发电机定子存在以下问题。

一是将2号发电机定子第325槽上层线棒取出后发现，取出线棒位于定子下端部左侧阶梯齿异常处绝缘有磨损现象，该磨损部位在线棒下端左侧靠近铁芯内圆处。磨损深度约2mm，长度约40mm。线棒受损部位如图3所示。

图3 线棒受损部位

二是第325 槽上层线棒取出后，检查该槽下部左侧铁芯阶梯齿剩余的4 片阶梯齿冲片，用手触摸后，有1 片掉落，断裂部位在下层线棒断面处，阶梯齿冲片断裂部位如图4所示。未发现该处下层线棒表面绝缘有异常现象。从阶梯齿下部向上观察，阶梯齿齿部断裂处至轭部下表面无异常。

图4 阶梯齿冲片断裂部位

三是2 号发电机定子铁芯拉紧螺杆蝶簧及心螺杆部分均有不同程度的松动现象，未达设计把紧力矩。

四是取下定子下端全部挡风板，查阅该水电站《水轮发电机安装说明书》中要求压指中心与铁芯齿部中心线偏差不大于2mm，发现共有22 槽下端压指不同程度偏离齿中心大于2mm的现象。定子铁芯压指偏移齿中心如图5所示，共有34 槽下端部冲片表面变色、片间有不同程度松动、电腐蚀现象。

图5 定子铁芯压指偏移齿中心

3 原因分析

3.1 直接原因

从现场检查情况发现冲片发生断裂的部位，定子压指严重偏离冲片齿槽中心处，造成一侧阶梯片底部缺少有效支撑。机组运行时，定子铁芯本身存在一定的震动，但因为2 号发电机定子铁芯整体松动，使震动幅值增加，进而引起冲片齿部剧烈震动，发生疲劳断裂并逐步脱落，相邻部位的上层线棒侧面被脱落的冲片划伤。

3.2 间接原因

3.2.1 定子铁芯拉紧螺杆、穿芯螺杆松动

一是发电机定子安装时冲片叠压系数偏低，机组长期运行后，因震动导致冲片间的间隙消除及片间漆膜收缩，使螺杆拉紧力降低。

二是安装时未按正确的预紧力矩进行铁芯预紧。

三是机组检修时，未再次对螺杆进行检查并紧固。

3.2.2 定子下端部压指偏离齿中心

一是机组运行时，定子铁芯在热的作用下会产生径向变形，同时铁芯受电磁扭矩影响，产生微量切向位移变形，但上述变形不会造成压指较大偏移。

二是定子安装时只考虑了其相互间的绝对弦长，没有考虑相对位置精度，造成部分压指偏心。

3.2.3 定子下端部分阶梯片松动

一是拉紧螺杆松动，定子铁芯整体预紧力不足。

二是压指偏心未起到对铁芯的有效支撑作用，使铁芯无法有效压紧。

三是压指安装时没有保证内侧较外侧略高的要求，使得齿部没有压紧。

4 处理及防范措施

4.1 定子铁芯拉紧螺杆、穿心螺杆松动处理

按照设计力矩值对称对定子铁芯拉紧螺杆、穿芯螺杆进行紧固。

4.2 定子铁芯下端部分冲片松动处理

一是使用高压带电清洗剂彻底清洗定子下端阶梯片表面的油污。二是用紧量刀片检查阶梯片的松动程度，并做标记。三是冲片间隙出现小于0.5mm、无法塞入绝缘片的情况时，可在阶梯片表面涂刷绝缘胶进行黏接。四是冲片间隙在0.5mm 左右时，将0.5mm 厚的绝缘板裁剪成与齿部一致的形状，上下两面打毛，刷胶后塞入冲片间。五是冲片间隙在0.5mm 以上时，可以根据实际情况，修磨1mm 厚的绝缘板至合适厚度，裁剪成与齿部一致的形状，上下两面打毛，刷胶后塞入冲片间。

4.3 定子铁芯下端部冲片断裂处处理

一是将定子铁芯断齿部位残留的冲片彻底清除，清除时注意不要伤及下层线棒及齿部另一半冲片，同时检查铁心轭部松动情况。二是使用高压带电清洗剂彻底清洗定子损伤部位。三是使用电腐蚀方式清理断齿处的毛刺，避免齿片粘连。四是处理完成部位涂刷绝缘胶，为加速固化，根据现场温度情况可适当加热。五是分两次对铁心进行整体打紧。打紧方式及检查标准按发电机厂家图纸设计要求进行。六是为方便监测因铁心受损部位周围温度变化情况，在进行孔洞封堵时，在冲片断裂处埋设了温度计（RTD）。

4.4 定子铁芯下端部分压指偏离齿中心处理

一是将偏心大于5mm的部分加装辅助支撑。选用10～12mm 厚的不锈钢板制作成和压指形状相似的模块，周围打磨光滑，与压指齐平进行焊接，现场根据压指偏向开坡口，焊接坡口靠着压指侧。焊接焊缝需要挫磨光滑，不能有尖角，焊接时需要保护好线圈。加装辅助支撑的地方进行标记，将挡风板的齿部剪去，方便使用内窥镜观察。

二是对阶梯齿中间立缝进行环氧绝缘双面板刷胶塞紧。

三是进行EL-CID 铁损试验，对发电机定子铁芯片间绝缘进行检测，并与处理前的试验数据进行对比，2号发电机定子铁芯下端部冲片松动断裂处理前后EL-CID铁损试验数据对比如表2所示。

表2 2 号发电机断裂处理前后EL-CID 铁损试验数据(单位：mA)

由表2可知，处理前大部分试验数据超标，处理后，试验数据明显变好，说明该处理方法具有明显效果，能够很好地重新建立起片间绝缘。数据合格后进行上层线棒更换工作。并对2 号发电机定子绕组重新进行了整体耐压试验。线棒更换和端部槽楔绑扎工艺按制造厂提供成熟工艺完成。

5 结语

2 号机组经过2022年1～8月的运行检验后，运行监测数据良好，运行指标优良、稳定可靠。验证了本文研究的大型水轮发电机定子铁芯冲片松动、断裂的处理方法具有良好的效果，能够保障水力发电机组安全稳定运行。