淺談大型水輪發電機定子鐵芯松動和斷齒成因及預處理措施

周柯巖

（國網新源控股有限公司白山發電廠，吉林 樺甸 132400）

大型水電廠在電力系統中擔負調峰調頻和事故備用的重要任務，必須保證機組安全穩定運行。由于水輪發電機連續多年的運行，將導致定子鐵芯壓緊力逐漸減小，甚至發生松動現象，嚴重威脅發電機的安全穩定運行。因此，研究水輪發電機定子鐵芯松動和斷齒原因分析及預防措施，對保證機組安全穩定運行，意義重大。

1 故障概述

白山發電廠是東北電網最大的水電站，主要擔負調峰、調頻、事故備用及消峰填谷等生產任務。2005年，5號發電機進行春季預防性試驗時，發現409、410號線棒下部槽口之間有微弱放電現象，經檢查發現該處定子鐵芯疊片下部第一片矽鋼片向外伸長20mm。分析認為是定子鐵芯長期振動、片間絕緣層干縮、壓緊度變松、齒部振動幅度加大，使鐵芯齒根部機械疲勞，造成鐵芯齒根部斷裂，在電磁拉力作用下，慢慢向外伸長，劃傷定子絕緣，造成定子接地。對已松動鐵芯疊片進行緊固，對已損壞的疊片進行處理為排除其他隱患，進行了發電機定子鐵芯磁化試驗，利用紅外線成像排查鐵芯發熱點，避免機組受到更大的損害，確保機組穩定運行。

2 定子鐵芯松動和定子沖片斷齒的原因

2.1 材料方面的原因：（1）定子硅鋼片的原因。最早是將熱硅鋼片應用在水輪發電機上，存在的問題是硅鋼片尺寸大小不一，偏差大，硅鋼片的平整度較差，也不容易被壓緊等問題。（2）硅鋼片漆的原因。在1995年前，一般應用有機漆涂刷在硅鋼片上，作為絕緣漆使用，在壓力和溫度的作用下，會產生收縮現象。

2.2 設計方面的原因：（1）鐵芯齒壓條的剛度不夠。（2）定子鐵芯下端一般采用小齒壓板結構，與采用大齒壓板結構比較，鐵芯軸向剛度小。（3）硅鋼片漆存在一定的收縮性，沒有足夠的考慮到這個原因。（4）鐵芯通風槽的鋼結構設計不合理，沒有考慮到通風流暢。（5）未充分考慮到運行時，溫度過高條件下拉緊螺桿存在熱膨脹的問題。（6）鐵芯齒壓板存在水平度不能滿足要求的問題。

2.3 制造方面的原因：（1）硅鋼片沖剪后毛刺偏大，去除毛刺不徹底。（2）焊于齒壓板上的壓指的最終尺寸、形狀相互間存在較大差異，致使壓指剛度不一。（3）通風槽鋼焊接時，位置尺寸不正確，焊接后變形大。（4）定位肋板尺寸偏差較大。（5）定子沖片涂漆工藝不良，漆膜收縮率增大。

2.4 組裝方面的原因：（1）下部小齒壓板相互間高程差異較大。（2）定位肋板之間的弦距偏差過大。（3）鐵芯疊片壓緊時壓不實，嚴重時由于存在波浪度，局部區域沖片層間存在間隙。

2.5 運行方面的原因：（1）發電機經常大容量進相運行使定子鐵芯端部溫度長期偏高。（2）調頻、調峰要求頻繁啟停機，致使鐵芯頻繁熱脹和冷縮。

3 原因分析

3.1 拉緊螺桿的伸長量未調整合適。由于定子齒壓板是通過拉緊螺桿固定的，而拉緊螺桿是靠形變產生作用力的，如果拉緊螺桿的伸長量未調整合適，將引起壓緊力度不均勻或者不合適，嚴重時可產生定子鐵芯的松動現象。

3.2 硅鋼片漆的原因。硅鋼片因為涂刷油漆，將產生不同程度的收縮量，這種收縮量會隨著時間的延長持續的增大，是制作商很關注的問題，在設計硅鋼片和選擇漆的問題上，應充分考慮漆膜的收縮量，保證滿足使用要求。

3.3 拉緊螺桿的軸向熱膨脹問題。由于定子鐵芯屬于B級絕緣，溫度一般在120℃，但是實際運行溫度低于這個數值，如果定子鐵芯、拉緊螺桿處于可以自由膨脹的狀態，將拉緊螺桿調整到符合軸向熱膨脹的位置，將有力與維持鐵芯的壓力，拉緊螺桿處于最佳的工作狀態，會大大提高定子鐵芯的穩定性。

4 防止定子鐵芯松動的措施

4.1 采用F級新型硅鋼片漆。為了防止定子鐵芯松動，應該采用附著力更強、收縮率較低、表面硬度高、具有較高抗蠕變功能和無機質含量的新型環氧硅鋼片漆，這類漆膜可以有效加強定子鐵芯運行后軸向壓緊力，不易產生松動。

4.2 定子鐵芯的端部應采取新型結構。一般情況下，定子鐵芯的兩端與每段之間都安裝有絕緣片，這是為了隔斷鐵芯段之間產生的渦流，達到防止鐵芯局部產生過熱。如果再定子鐵芯最外段的鐵芯兩端的齒片之間使用環氧樹脂涂刷，可以有效地提高鐵芯齒部的剛度，增大鐵芯的穩定性。

4.3 應用通風槽鋼的新型布置方式。將鐵芯的通風槽板使用的小工字鋼，將鐵芯的齒部與軛部處斷開，這樣小工字鋼在軛部處的圓周方向處于均勻的布置方式，運行時，定子鐵芯的周向通風、軛部壓力和溫度上升速度都有了明顯的改善。

4.4 應用新型鐵芯疊片方法。在實踐中，對于直徑大于10m的定子鐵芯，應采用十片一組的搭接新型疊片方法。一般常規的疊片方法是兩片一組，采用十片一組的疊片方法可以有效地降低運行降低定子鐵芯在運行中因熱漲所產生的摩擦熱應力，可以大大提高鐵芯的抗擊運行疲勞的能力。

4.5 應用新型的固定定子鐵芯的結構。以往固定定子鐵芯都采用焊接工藝，容易產生變形，影響了定子鐵芯的加工工藝。新型的固定工藝采用特型拉緊螺桿，同時也具有定位肋板的作用，這種工藝的優點就是不用焊接，定位準，有效地避免了因為定子鐵芯的溫度升高所產生的膨脹，導致間隙增大，同時也減少了定子鐵芯熱變形現象。

4.6 應用高強度拉緊螺桿。拉緊螺桿在定子鐵芯安裝時的作用很重要，一般情況下，拉緊螺桿的變形越大，維持壓力的時間也就越長，在壓力不變的情況下，采用高強度材料，減小拉緊螺桿的直徑，可以有效的延長定子鐵芯維持壓緊的時間，大大提高定子鐵芯的穩定程度。

4.7 應用新型蝶形彈簧防鐵芯松動。由于定子鐵芯長時間運行，在熱態環境下將產生收縮。應用新型蝶形彈簧木可以有效地防止定子鐵芯松動現象的發生，保持在一定的安全壓力范圍內運行，大大提高定子鐵芯運行的穩定性和安全性。

4.8 應用簡化組裝工藝。應用簡化組裝工藝，采用導向鍵定位定子鐵芯，合理疊壓芯片，在機座環版安裝環形靠板，合理調整安裝間隙，將定子鐵芯準確定位。

結語

綜上所述，作為電磁能量轉換的定子鐵芯，屬于發電機最關鍵的部件，分析定子鐵芯松動和斷齒的原因，采取必要的措施，就能有效地預防此類故障的發生，確保水力發電機組安全穩定運行。

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