萬家寨水電站水輪發(fā)電機定子鐵心溢出及改造的必要性分析

王超羽

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津300222）

萬家寨水電站水輪發(fā)電機定子鐵心溢出及改造的必要性分析

王超羽

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津300222）

萬家寨水電站水輪發(fā)電機定子鐵心溢出造成安全隱患，影響到機組的安全運行。對定子鐵心溢出的原因進行分析，并對定子改造的必要性進行論證，供發(fā)電機改造參考。

水輪發(fā)電機；定子；鐵心；溢出；線棒；絕緣；穿心螺桿

1 工程概況

黃河萬家寨水利樞紐位于黃河北干流上段托克托至龍口峽谷河段內，是黃河中游開發(fā)的第一級，其主要任務是供水結合發(fā)電調峰、防洪、防凌。樞紐水電站安裝6臺單機額定容量180MW的混流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量1 080MW，設計年發(fā)電量27.5億kW·h。

萬家寨水利樞紐由水利部、山西省、內蒙古自治區(qū)三方共同投資。1998年11月28日第1臺機組發(fā)電，1999年8月7日和12月23日2、3號機組順利投產發(fā)電，到2000年12月后續(xù)3臺機組也全部并網(wǎng)發(fā)電，投入商業(yè)運營。

萬家寨水電站屬于華北和內蒙古蒙西電力系統(tǒng)，電站調峰大大改善了系統(tǒng)供電質量，向系統(tǒng)提供了綠色清潔能源，節(jié)能減排效益顯著。

萬家寨水電站1—4號水輪機及6臺調速器由天津阿爾斯通公司成套供貨；5、6號水輪機由上海福伊特西門子水電設備有限公司（原上海希科公司）成套供貨；哈電公司承擔6臺發(fā)電機的成套供貨。水輪機主要參數(shù)見表1，發(fā)電機主要參數(shù)見表2。

表1 水輪機主要參數(shù)

表2 發(fā)電機主要參數(shù)

2 水輪發(fā)電機檢修發(fā)現(xiàn)問題及臨時處理措施

萬家寨水電站第1臺機組（1號機）自1998年發(fā)電，至今已經安全運行15年，其他機組也安全運行十多年。隨著機組運行年限的延長，機組設備過流部件、電氣設備等部位均不同程度地出現(xiàn)裂紋、磨蝕、銹蝕、老化等缺陷，機組安裝或產品本身固有的一些隱性缺陷也開始逐步暴露顯現(xiàn)。機組大修發(fā)現(xiàn)的主要問題是發(fā)電機定子鐵心溢出，比較嚴重的是3、4、5號機組。

在2010年4月25日—6月25日進行的4號機組第二輪大修過程中，首次檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)電機定子鐵心溢出問題。拆除全部定子線棒后檢查發(fā)現(xiàn)鐵心裝配質量較差，鐵心波浪度嚴重超差，上下端鐵心很松。現(xiàn)場進行了鐵心的波浪度、緊度及長度的測量。測量數(shù)據(jù)反映出鐵心把緊前齒部波浪度15mm，超差5mm，且相鄰鐵心長度尺寸相差較大，最嚴重的問題是齒部比軛部長度平均大4mm，以此推算靠定位筋處的軛部要比齒部長度小8mm左右。

4號機組定子鐵心溢出，使線棒絕緣破損，甚至造成絕緣擊穿，嚴重威脅電站的運行安全。在4號機組大修期間，采用“拆除全部線棒—線棒修復（部分返廠、部分現(xiàn)場修復）—溢出鐵心修銼—鐵心專項壓緊—加裝不銹鋼檔片—線棒回裝”的臨時處理方案進行了定子鐵心溢出專項處理，以使機組能夠正常運行。采用同樣的方法，結合3、5號機大修對其定子鐵心溢出均進行了處理，花費了大量的人力、物力。

3 水輪發(fā)電機定子鐵心溢出原因初步分析

根據(jù)萬家寨電站3、4、5號機出現(xiàn)的問題，初步分析定子鐵心出現(xiàn)溢出、翹曲等問題的主要原因是機組安裝過程中定子鐵心壓緊度不夠、波浪度較大造成的。定子鐵心經長期運行后逐漸出現(xiàn)松動，并且在不斷熱脹冷縮中出現(xiàn)鐵心端片溢出及翹曲等問題。具體原因分析如下：

（1）定子鐵心定位筋弦距超差較大，造成定子沖片疊裝過程中定位筋發(fā)卡，鐵心沖片不能有效壓緊，造成波浪度超差。

（2）水輪發(fā)電機定子鐵心軸向壓緊采用的是背部拉緊螺桿壓緊結構，拉緊力是由齒壓板分別作用于鐵心和機座，拉緊螺桿的拉緊力只有一部分作用于鐵心，且鐵心受力點集中在鐵心外側，使鐵心沖片壓緊時外側受力大、內側受力小，該結構不利于鐵心齒部壓緊。機組經過長期運行可能出現(xiàn)鐵心松動的問題。

（3）萬家寨水輪發(fā)電機轉速較低、定子直徑較大，機組運行時定子鐵心與機座間存在較大的熱應力，鐵心松動到一定程度時波浪度逐漸加大，使鐵心產生翹曲問題，鐵心損耗、振動變大，并逐步加劇。

（4）按當時的設計規(guī)范定子鐵心單位片間壓力較小，鐵心容易出現(xiàn)松動問題。

（5）當時定子沖片采用的是環(huán)氧有機漆，鐵心未采用蝶形彈簧壓緊結構，鐵心壓緊及測量工具落后，機組運行一段時間后沖片漆膜變薄，出現(xiàn)鐵心松動問題。

綜合上述分析，萬家寨發(fā)電機定子鐵心溢出有其本體結構的原因，也有安裝質量問題。

4 水輪發(fā)電機定子改造的必要性分析

3、4、5號機定子鐵心溢出問題十分嚴重，已經影響到機組的安全運行。盡管萬家寨水電站花費了大量時間和經費，結合機組大修，對定子鐵心溢出的安全隱患進行了臨時性處理，但臨時處理方案只是針對定子鐵心溢出部位進行打磨、線棒拆除并進行絕緣修復、鐵心重新壓緊、端部鐵心加不銹鋼擋片限位處理，只能維持機組短期運行，并沒有對定子鐵心端片溢出的安全隱患進行全面根治，機組還存在諸多安全問題和隱患。

（1）由于鐵心變形較大和局部翹曲變形嚴重，雖然專項處理時對定子鐵心進行了重新壓緊，但因為鐵心沒拆，定位筋弦距誤差無法調整，所以波浪度仍然偏大、嚴重超標，臨時性處理方案無法達到設計要求。定子鐵心存在電磁振動加大、損耗、發(fā)熱增大及發(fā)電機效率降低等問題，而這些問題將進一步加劇鐵心翹曲的安全隱患。

（2）定子鐵心不僅徑向變形大，在圓周方向也存在較大變形，且臨時性方案無法徹底處理，同時存在圓周方向鐵心突出擠壓破壞定子線棒絕緣問題。

（3）從4號機測量數(shù)據(jù)可以看出定子鐵心齒部比軛部長度偏大約4mm，靠定位筋處的軛部要比齒端部長度小8mm左右，齒脹嚴重，此次鐵心專項處理沒有拆除鐵心，所以無法解決齒脹問題。齒脹是引起機組運行中鐵心松動的主要原因，因此存在鐵心進一步松動的可能性。

（4）3、4、5號機鐵心端部加裝不銹鋼擋片的臨時處理方案，使發(fā)電機長期運行可能存在因鐵心振動造成片間短路及鐵心燒損的隱患。

（5）原來的鐵心壓緊結構沒有改變，上述臨時處理方式沒有從根本上改變鐵心整體受力不均勻的問題，所謂治標不治本，經過一段時間運行，還會出現(xiàn)類似問題，安全隱患依然存在。

（6）發(fā)電機定子線棒有現(xiàn)場修復、返廠修復、重新訂制三種類型。線棒現(xiàn)場修復工藝影響因素較多，不能保證其達到原設計要求；返廠修復線棒僅做絕緣更換處理。現(xiàn)場修復、返廠修復的線棒均是舊線棒，本就存在固有絕緣老化，反復拆裝對線棒絕緣造成損傷的可能性很大，老化與拆裝的聯(lián)合作用對線棒絕緣壽命會有較大影響，線棒運行存在一定的隱患。

萬家寨電站3、4、5號機組定子鐵心溢出程度相近，鐵心局部翹曲變形十分嚴重。按照目前的處理方式，不能徹底解決定子鐵心翹曲變形和波浪度超標以及鐵心齒脹問題，存在鐵心進一步松動、端片繼續(xù)溢出并損傷線棒的隱患。同時，存在發(fā)電機運行過程中鐵心電磁振動加大、損耗增大及發(fā)電機效率降低等問題。

若發(fā)電機不經處理繼續(xù)運行，線棒絕緣將進一步受鐵心突出片的損傷，隨時都會發(fā)生定子接地事故，事故進一步發(fā)展致使發(fā)電機相間短路，從而發(fā)生定子繞組及定子鐵心燒毀的惡性事故，并將可能波及到發(fā)電機轉子等部分的安全。

同時，由于定子鐵心溢出使得大修時間延長2個月，耗費大量的人力、物力，影響機組發(fā)電，趕上黃河豐水年必然造成較大的電量損失。

綜上所述，發(fā)電機定子改造勢在必行。

5 結語

萬家寨水電站水輪發(fā)電機定子鐵心溢出造成線棒絕緣受損，影響機組的安全運行，發(fā)電機檢修耗時長，使檢修費用增加，應引起水電同行的高度重視。大中型水輪發(fā)動機定子鐵心應采用穿心螺桿和碟形彈簧壓緊結構，為減小定子鐵心由于受熱膨脹而產生熱應力，疊片時用雙鴿尾筋定位，兩端用定子齒壓板及穿心拉緊螺桿將鐵心牢固地夾緊，以防止鐵心松動。定子組裝時應高度重視組裝工藝、質量，精益求精，把定子鐵心的翹曲變形減至最小，確保定子鐵心運行后的圓度，避免定子鐵心溢出現(xiàn)象，確保機組安全穩(wěn)定運行。

TV734.2+1；TM312

B

1004-7328（2014）06-0059-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2014.06.022

2014-07-12

王超羽（1968-），男，高級工程師，主要從事水力機械專業(yè)設計工作。