一种水轮发电机定子槽楔更换优化方法

易强 肖智斌

摘 要：水轮发电机组运行期间，定子槽楔出现松动将会减弱其对定子线棒的固定作用，加剧定子线棒振动，长期运行将破坏线棒的主绝缘体，造成磨损与放电，影响发电机安全运行，因而槽楔的松动检测对发电机正常运行具有重要意义。通过分析槽楔松紧度检查方法，根据电厂实际情况选择了铜锤敲击法。在现有槽楔结构基础上，提出了一种发电机定子槽楔更换优化方法，并进行了现场实测，验证了该方法的正确性和可行性。

关键词：定子槽楔；松动检查；槽楔更换；优化方法

中图分类号：TM311/TV738                                   文献标志码：A

水轮发电机是电力系统的重要组成部分，其检修工作非要重要。定子槽楔松紧度检查与固定是发电机检修过程中的重要环节。定子槽楔是用来对定子槽内的定子线棒进行固定的结构[1]。定子线棒运行时在交变电磁力的作用下发生振动导致槽楔板松动或掉落，进而破坏到发电机主绝缘，并在线棒表面产生局部放电，造成发电机运行安全事故。相关案例证实，大部分高压电机在三年运行中存在超出一半楔块丢失现象，为此需要对楔块进行定期检测[2]。电气与电子工程师协会（IEEE）调查发现，被调查的497种发电定子绕组中，超出43%的绕组都会产生运行故障，而绕组松动问题导致的故障占58%。本文以湖南澧水江垭水电站3#机组的定子槽楔为研究对象。在机组大修过程中重点对定子槽楔进行了检查。

1 发电机定子槽楔结构松动危害性

发电机定子槽楔的作用是固定发电机定子线棒，江垭水电站所有定子槽楔均采用斜楔对结构形式，即上层的槽楔与其下层的斜楔形成斜楔对，上、下楔的表面倾斜率一般为1：120左右，材料均由东方电机厂提供。空间分布上，由里到外分别是橡胶垫条、半导体条、斜楔和槽楔。

水轮发电机实际运行中，因为交变电磁力影响使定子线棒产生振动现象[3]。线棒所承受电磁力和电机定子中的电流成正比关系，定子铁芯在运行中所承受磁拉力和定子对应气隙磁通成正比关系，在两种力共同影响下，促进线棒以及铁芯产生相对运动，导致槽内的线棒产生振动[4]。定子槽楔松紧度检测和重新紧固是针对发电机装置实施全面保养维护的核心环节。定子槽楔这一结构主要对定子槽中定子线棒实施全面紧固。槽楔板如果缺少有效维护便会产生松动问题，处于电磁力影响下，使得定子線棒运行不稳，产生强烈振动，增加整个电机系统的事故几率，威胁电机的运行安全[5]。

机组运行中产生的热量会通过定子通风槽向外散发，定子槽楔松动会堵塞定子通风槽，降低运行中发电机空气流通效果，散热不通畅，引起发电机温度升高[6]。同时，定子槽楔松动，会造成定子线棒表面和槽壁之间失去良好接触，产生高能电容性放电，会对定子线棒表面产生热和机械的作用。而且，放电使空气电离而产生臭氧及氮氧化合物，这些化合物与气隙内的水份发生化学作用，呈现酸性，从而引起线棒的表面防晕层、主绝缘出现腐蚀的现象，造成主绝缘受损[7]。

另外，水轮发电机组材料自身所存在的热胀冷缩特性，也容易使整个槽楔板形成松脱问题，严重情况下还会直接掉落。一旦产生槽楔掉落问题，将会进一步加剧线棒振动，同时直接损伤定子与转子整体绝缘性[8]。加剧电腐蚀问题，使定子线棒对应绝缘层被击穿，增加发电机运行事故几率。

2 定子槽楔松动过程分析及检查方法

2.1 定子槽楔松动过程分析

结合工程实践分析，在处理线棒中，普遍会通过槽楔配合垫片以及槽楔搭配波纹板等方式对线棒实施彻底紧固。

垫片式固定槽楔产生松动现象，主要分为四个环节：槽楔局部产生运行松动；随着运行时间增加，槽楔松动问题加剧，局部空隙扩大；空隙部位持续扩大，到整个槽楔板产生贯穿间隙，使定线棒和槽楔板全面分离，将槽楔转化成独立振子；缝隙部位持续蔓延，最终导致整个槽楔板直接松脱。波纹板式槽楔，在定子线棒和槽楔间主要设置波纹板，因此槽楔下层始终存在波纹板弹力支撑。波纹板式槽楔对应紧固松紧度可以通过弹力数值进行反映。

槽楔紧固程度检测的主要操作原理是：垫条固定后的槽楔因为冲击激励影响，随着紧固状况差异，所产生的响应程度各不相同。如果松动幅度较低，则产生局部振动扩大现象的可能性较大。在松紧程度持续变化中，相关局部振动频率也开始发生变化，处于该阶段内位移振动变化幅度开始降低，因此可以通过声音信号频率进行合理判断。假如槽楔严重松动，会进一步扩大局部空隙，甚至将整个槽楔板直接贯穿，此时定子线棒和槽楔板全面分离，使整个槽楔板转化成独立振子。即便随着松脱程度持续扩大，槽楔处于冲击影响下，相关振动频率依然没有任何变化，但振动幅度会继续扩大，为此可以结合振动幅度对松紧度进行辨别。波纹板固定槽楔处于强烈冲击下可以当成薄板强迫振动模型。槽楔板在不同松紧度下，波纹板形变开始发生变化，槽楔板内波纹板弹力特性也产生明显变化，改变整个槽楔板振动状态，随着紧固程度增加，会形成更高弹力，扩大整个槽楔刚度，加大振动频率，降低最高振幅。

2.2 定子槽楔松紧度测定方法

国内外关于槽楔松紧度测定主要分为声测、卡尺检测以及敲击检测等方法。其中卡尺检测仅能针对部分带孔槽楔实施测定，声测则需要应用专门系统设备，十分笨重，影响操作便捷度，同时在松动幅度较小条件下会影响槽楔测定精准度。根据综合考虑，本次检测选择敲击法。检查方法用0.5 lb

（1 lb≈0.453 kg）铜锤敲击槽楔有无空声，每段槽楔如空隙长度超过其长度的1/3必须重新处理。检测定子槽楔松紧度，直接用手敲击定子槽楔板，听觉判断槽楔板的振动声音特性，感受敲击所形成的瞬时感受，对相关点松紧度实施判断，对于槽楔板选择3、4个节点进行敲击，综合判断该处槽楔的松紧情况。

3 优化槽楔更换方法

江垭电站3#机组大修期间，专业技术人员采用铜锤对槽楔进行了仔细检查，共发现58处需要更换，目前水电厂定子线棒一般采用槽楔加波纹板的组合结构进行更换固定。检修人员对结构上进行了优化，制订了适合该电站的槽楔更换方案，即按照“垫条—斜楔—槽楔”的顺序从里往外安装。

3.1 材料准备

（1）准备足量的槽楔、斜楔、半导体条和橡胶垫条。其中槽楔分为上节槽楔、中节槽楔和下节槽楔三种规格，斜楔按照与之配套的槽楔规格准备，根据实际情况选取0.5 mm、1.0 mm、2.0 mm三种规格的半导体垫条搭配使用，来调整槽楔的紧固程度，针对埋有测温电阻的线槽，优先使用0.5 mm的半导体垫条，以更好地保护测温电阻。橡胶垫条长度应比整条槽楔长。

（2）准备足量的玻璃绳。

（3）准备用于浸泡玻璃绳的环氧树脂胶（E-44环氧树脂6101和环氧树脂固化剂聚酰胺650）、发电机带电清洗剂、绝缘漆。

3.2 槽楔安装

（1）由于上节、中节、下节三种槽楔的尺寸规格不一，安装前应挑选槽楔通风槽口与铁芯通风沟对齐的槽楔，槽楔不应突出铁芯。如出现与通风沟不对齐情况，应对其端部进行切割、磨平处理。槽楔通风槽口方向应全部朝俯视顺时针方向。

（2）将橡胶垫条和半导体条从端部槽楔槽口依次放入槽中，最里层的半导体条应选用最厚的，然后用斜楔压住，上节槽楔从下部往上打入槽中，当向上推至斜楔2/3处，检查斜楔对的松紧程度。若偏松，应在斜楔下增加适量的半导体条，按照内厚外薄的原则放入；反之，应抽出适量半导体条。打紧槽楔过程中应使用木锤和专用垫块敲击，避免碰伤线棒和铁芯。

（3）在添加调整半导体条的过程中，每槽的半导体条数量不宜超过三层，上下两半导体接头应与垫条接头错开。

（4）槽楔更换完成后，对槽楔进行检查，槽楔应完整、平整，不凸出铁芯内圆表面。槽口与通风沟对齐，不得错位，误差不得大于4 mm，且符合发电机旋转方向。用专用小铜锤检测槽楔的松紧度。每条槽楔允许的空隙长度，不应超出该条槽楔长度的1/3，否则应将槽楔敲出，增加适量半导体条压实后，重新打紧。

3.3 槽楔端部玻璃绳绑扎

（1）平槽楔的关门槽楔用泡有环氧树脂的玻璃丝绳进行最终紧固。将专用环氧树脂胶按照1∶1配比，搅拌充分，加入适量环氧树脂稀释剂，使其粘稠度适中。

（2）准备足量玻璃绳，每根长约4～5 m，放入调配好的环氧树脂胶中浸泡约10 min后取出备用，晾干约0.5 d左右。

（3）绑扎槽楔应保证紧固牢靠，保证槽楔不会松动、变形。

3.4 绝缘漆喷涂

（1）经过环氧玻璃绳充分固化后，检查环氧干燥情况。待干燥良好，清理环氧渣，清理过程中避免损坏铁芯。

（2）槽楔表面应干净，无油污、灰尘，无变色、破裂等。

（3）用发电机绝缘带电清洗剂对发电机定子进行清洗。

（4）喷涂发电机专用F级绝缘漆。

4 试验验证

机组全部回装完成后，对发电机定子进行预防性试验（绝缘、直阻、直流耐压及泄漏电流试验、交流耐压试验），各项数据均合格。更换前后有明显区别的数据见表1。

由表1、表2可知，在湿度增大的情况下更换槽楔后直流耐压时泄露电流比更换前小，泄露电流主要反映线棒绝缘的整体有无受潮、劣化，更換槽楔后泄漏电流比更换前小，说明更换槽楔后定子整体绝缘性能更优。

发电机定子交流耐压试验能准确定位定子绕组局部集中性绝缘问题，尤其是绕组槽口以及槽内的绝缘问题，比如局部绝缘恶化以及机械损伤问题。定子绕组交流耐压应采用串联谐振法进行，定子绕组的外施交流耐压值为1.5 Un[5]，交流耐压试验应分相进行，被试相加压，非被试相接地，试验电压应为50 Hz正弦波，谐波分量应不超过基波的5%，试验电压必须在高压侧测量，耐受试验电压的时间为1 min。

5 结束语

系统分析了发电机定子槽楔松动的危害性以及槽楔松紧度检查方法，以江垭水电站3#机为例，提出优化槽楔更换方法，详细介绍了更换处理步骤，试验验证表明，槽楔更换优化方法效果较好。相关工作可为今后槽楔安装工艺优化提供借鉴。

参考文献：

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[2] 陈强，赵磊.发电机定子槽楔移动原因分析及处理[J].水电站机电技术，2017，40（1）：54-57.

[3] 机械工程手册编辑委员会，电机工程手册编辑委员会.电机工程手册（第二版）[M].北京：机械工业出版社，1996.

[4] 彭翔，贾志东，王黎明，等.大型发电机定子槽楔松动研究及检测[J].中国电机工程学报，2007（30）：9-14.

[5] DL/T 596—2021，电力设备预防性试验规程[S].北京：中国电力出版社，2021.

[6] 杜灿勋，桂卫华，周光厚.大型全空冷水轮发电机定子线棒损耗和温度场综合计算[J].中国电机工程学报，2012，32（12）：111-119.

[7] 杨勇，万世洲.电机磁性槽楔脱落的原因分析及处理[J]．机电信息，2011（18）：84-85.

[8] 柳杨.水轮发电机定子线棒换位方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2016：2-6.

An Optimization Method for Replacing the Stator Slot Wedge of Hydrogenerators

YI Qiang，XIAO Zhibin

（Jiangya Hydropower Station，Hunan Lishui Hydro & Power Co.，Ltd.，Zhangjiajie 427221，China）

Abstract：During the operation of hydrogenerator set，the loosening of stator slot wedge will weaken its fixed effect on the stator wire rod and aggravate the vibration of rod. Long-term operation will damage the main insulator of the wire rod，causing wear and discharge that can jeopardize the safe operation of the generator. Hence，it is imperative to detect the loosening of slot wedge to ensure the generators normal operation. By analyzing methods of checking the slot wedge tightness，we selected the copper hammer tapping method based on the specific circumstance of the power plant. Additionally，we propose an optimized method for replacing the stator slot wedge in line with the existing slot structure. We further conducted field measurements to verify the correctness and feasibility of this approach.

Key words：stator slot wedge；loosening check；slot wedge replacement；optimization method