發電機轉子槽絕緣位移的原因及處理

韓英杰，唐錦凡，吳 莊，陳佰成

（深圳南山熱電股份有限公司，廣東 深圳 518054）

1 概述

南山熱電廠1號發電機系ALSTOM產T240-370型封閉循環空冷發電機，額定容量171.875MVA，額定電壓15000V，額定電流6615A，2001年投產。該機型屬我國燃機電廠的主力機型。2006年1號燃機發電機檢修中發現轉子線圈內部槽絕緣從驅動端向勵磁端不同程度的位移（如圖1所示），最明顯的兩條槽絕緣位移量分別為5.4cm和3.5cm。同時，轉子絕緣性能明顯下降，500V搖表測試為0.5M?左右。同時也了解到國內同型機組也出現類似的位移情況（勵側向驅側），但轉子絕緣未受影響。

圖1 轉子槽絕緣外移

2 發電機槽絕緣位移的故障分析

發電機轉子的槽絕緣產生位移是發電機非常罕見的故障，而在ALSTOM產該型機組中則連續出現。經過與國外發電機廠家、國內同類發電機廠家、同機型電廠反復論證，分析結果如下：

（1）轉子結構設計不合理致使槽絕緣位移的限制措施失效。該型轉子在端部設計上原本做了限制槽絕緣移動的措施，如圖 2所示，弧形凹槽本是為消除轉子線棒上應力集中而設計的，但也同時也使槽絕緣較易突破該限制而向一側移動，沒有起到限制槽絕緣移動的作用。

圖2 原限制槽絕緣位移的措施

（2）機組頻繁起停導致轉子銅排及槽絕緣熱脹冷縮的不均勻是槽絕緣產生移動的原因。轉子在起停中承受著變化的溫度場，銅鐵膨脹差產生的熱應力、層間絕緣和線匝的熱應力、同一線匝各點受冷卻風場影響造成溫度差異而引起的應力不同，這三種熱應力力圖使線匝沿軸向伸長。轉子本體、絕緣（-NHN）、繞組銅排膨脹差產生的伸縮量可用下面公式計算：

式中：△L1——銅線對絕緣槽的相對伸長量，mm；

△L2——絕緣槽對轉子本體的相對伸長量，mm；

L——轉子的線匝長度，mm；

λCu——銅線的線膨脹系數，λCu=17 ×10－6，1/℃；

λFe——轉子的線膨脹系數，λFe=12 ×10－6，1/℃；

λNHN——絕緣（-NHN）的線膨脹系數，λNHN=9× 1 0?6，1/℃[3]；

tCu——銅線溫度，℃；

tFe——鐵齒溫度，℃；

t0——轉子加勵磁前的溫度，可取進風溫度，℃。

如t0取機組盤車備用狀態下的溫度40℃，轉子鐵心溫度tFe、槽絕緣溫度tNHN、轉子繞組銅排溫度tCu相同，轉子繞組每槽銅排長為 3700mm，轉子選取同樣長度部分，對應不同的tCu，根據公式計算出相對伸縮量見表1。

表1

可見，轉子槽絕緣與轉子繞組銅排每次期起停機各會有 1.18mm的相對位移，轉子槽絕緣與轉子鐵心每次起停機各會有 0.44mm的位移。在國內，該型機組均是作為調峰機組使用的，基本每天起停一次，如果沒有良好的限位措施，其隨機串移的速度將十分可觀。而串移的方向是根據材質的特性隨機產生的。這也可以解釋南山熱電廠和同機型電廠位移現象相反的現象。

同時，當轉子處于旋轉狀態時，繞組線匝受到下部線匝產生的離心力的作用，使其厚度變小，長度變大，即壓縮應力；而鐵齒受到徑向拉伸應力，使本體直徑增大，長度縮短，這樣，轉子繞組的線匝對轉子鐵齒有機械伸長差，在繞組上產生了機械應力差。在熱應力和機械應力的作用下，繞組線匝與槽絕緣之間、轉子與槽絕緣之間會有方向相反的摩擦力。由于制造工藝的原因，單靠此二力很難平衡，長期頻繁起停發電機，繞組線匝、槽絕緣、轉子剛體熱脹冷縮，摩擦力不對稱，就發生槽絕緣位移。

（3）槽絕緣位移后出現的空氣隙易導致臟污積垢，是引起轉子絕緣性能下降的主要原因。槽絕緣向一側產生位移后在轉子的另一側就產生了相應的一個空氣隙，該空氣隙本身也足夠起到絕緣的作用。但是機組運行中（尤其是燃燒重油工況下）產生的粉塵，煙氣等臟污很容易進入該氣隙，導致轉子絕緣性能下降。1號機的槽絕緣位移后空氣隙出現在靠燃機一側，易受粉塵、煙氣等臟污影響，絕緣性能明顯下降。其它同機型機組槽絕緣位移方向相反，空氣隙在勵側，較為干凈，因此絕緣性能暫未受影響。

3 發電機槽絕緣位移的危害

發電機轉子槽絕緣位移是發電機的重大安全隱患，必須引起重視，及時處理。燃機發電機采用空氣冷卻，轉子轉動時，冷卻空氣從兩端向中間吹。轉子銅線、匝間絕緣與冷卻介質直接接觸，容易造成積灰。積灰的嚴重后果是匝間短路，繼而引起熱不平衡、轉子振動。

槽絕緣位移使轉子線棒與轉子鐵芯失去絕緣體隔離，只保持空氣隔離，并且在槽絕緣移進的端部爬電距離較短。因此槽絕緣位移處轉子對地絕緣尤其薄弱。因沒有絕緣體隔離，當出現過電壓時，有可能造成對地擊穿事故。

另外，南山熱電廠1號機2006年8月最大位移量為5.4cm，2009年最大位移量為7.10cm，說明槽絕緣位移還在不斷發展并擴大，當位移達到一定長度時，轉子線棒與轉子鐵心之間由于失去支撐，極易發生橈性變形而形成穩定金屬性接地。

4 發電機槽絕緣位移的解決方案

目前，國內大多數發電機轉子上采用的間苯二酚與聚芳纖維紙聚酰亞胺薄膜復合材料（NHN）熱壓而成的“U”形槽絕緣。“U”形槽絕緣的電氣性能比較穩定，但所占據的空間位置大，而且整體的柔韌性比較差，在使用過程中極容易受到損傷。同時，“U”形槽絕緣在制造過程中所使用的模具特殊，不同型號和電壓等級的發電機所需模具的尺寸都不相同，開發新模具就會增加改造成本，造成不必要的浪費。1號發電機采用的是“L”形槽絕緣。“L”形槽絕緣與“U”形槽絕緣相比，可以更高地承受彎曲、壓縮和拉伸等各種機械應力，而且整體的柔韌性好，增大了發電機轉子的通風面。因此，對槽絕緣的結構我們決定不進行改造。

其次，參考其他發電機轉子槽絕緣定位方法，試圖采取固定銷的辦法，但由于它的L型結構，使固定銷無合適的安裝位置。

最后，采用在轉子槽口絕緣靴加工凸出臺階，當槽絕緣因熱漲冷縮或任何原因產生位移，這個臺階都會有效地將其阻擋，防止位移。為了防止槽絕緣熱漲冷縮產生巨大應力造成絕緣靴或槽絕緣損壞，凸出臺階與槽絕緣留有2.5mm間隙（如圖3和4所示）。

2009年4～6月，南山熱電廠1號發電機轉子槽絕緣按照上述方案，由國內廠家進行了修理和改造，7月初投入運行。經對槽絕緣多次窺孔檢查和絕緣電阻測試，目前情況良好。

圖3 絕緣靴改造前

圖4 絕緣靴改造后

5 結束語

發電機轉子槽絕緣位移是罕見的，國內有部分ALSTOM生產的9E發電機也存在與南山熱電廠1號發電機類似的問題，如南山熱電廠另一同型發電機及月亮灣電廠一臺同類機型都有位移現象。分析認為，該型發電機轉子槽絕緣設計不合理，有必要對同類機型進行檢查和改造。在轉子槽口絕緣靴加工凸出臺階并和槽絕緣留有2.5mm間隙的辦法，經過幾個月的運行及連續幾次的檢查，效果良好。

南山熱電廠這次采用國內技術解決了槽楔位移問題，值得同行借鑒。

[1]楊濤, 胡春秀, 張洋. 新型汽輪發電機轉子槽絕緣結構的研究[J]. 大電機技術, 2008（3）.

[2]陳世坤. 電機設計[M]. 北京: 機械工業出版社,1990.

[3]汪耕, 李希明, 等. 大型汽輪機的設計、制造與運行[M]. 上海: 科學技術出版社, 2000: 294.