抽水蓄能電站發電機定子穿心螺桿絕緣研究

宋 軒，鄭 越，李坤鵬

（河南國網寶泉抽水蓄能有限公司，河南 新鄉453636）

1 引言

發電機定子穿心螺桿主要是用來固定定子鐵心的，由于水輪發電機組正常運行時定子穿心螺桿處于交變的磁場中，會產生一定的感應電壓，定子鐵心、機座及定位筋等部件屬于接地設備，如果絕緣損壞，將會形成導通回路，在螺桿感應電壓下形成環流造成螺桿、鐵心等部件絕緣的損壞、部件過熱甚至燒損[1-2]，從而造成發電機事故。

本文根據寶泉電站在進行發電機開路試驗時出現的定子鐵心燒損現象，對定子穿心螺桿絕緣結構進行分析研究，并對其進行優化處理，避免事故再次發生，為本電站穩定運行提供保障，同時為其他電站和設計單位對定子穿心螺桿絕緣的設計和選擇具有一定的參考價值。

2 存在的問題

該電站發電機組在進行開路試驗過程中，當定子電壓升至1.25倍額定電壓時，發電機風洞內部發出異味，同時有火星從發電機內部并經過空氣冷卻器通風溝噴出，立即停機，此時監控系統監視到發電機定子鐵心溫度測點一處顯示116 ℃（未達到報警和跳機值）。經檢查，該電站4號機組出現定子鐵心燒損現象，有19根穿心螺桿接地。

該機組定子穿心螺桿共計57根，均勻分布一周。其中正上游為1號螺桿，按瞬時針方向依次進行編號。燒損螺桿為32號，定子穿心螺桿分布圖如圖1所示。

圖1 定子穿心螺桿分布圖

在機組停機穩態并進行隔離后對定子鐵心及穿心螺桿進行檢查，主要發現以下問題：

（1）定子疊片定位筋與定子疊片之間存在放電現象。

（2）定子疊片與定子疊片齒壓板之間存在放電現象。

（3）定子穿心螺桿與絕緣襯套接觸面存在銹跡。

（4）定子端部絕緣套管已熔斷。

（5）定子鐵心32號螺桿已燒損并熔斷，其他部分螺桿存在放電現象。如圖2所示。

圖2 已熔斷的32號螺桿及表面存在的放電痕跡

為保證機組安全運行，本文針對發電機開路試驗時出現的定子鐵心燒損現象進行研究分析。

3 故障分析

3.1 定子鐵心及穿心螺桿絕緣結構組成

定子鐵心由帶有9個齒的硅鋼片疊壓而成。每個圓周共19張硅鋼片，相互疊壓，鐵心下部放置在與定子機座底部焊接在一起的下環板上，逐層疊至頂部，外圓與定位筋進行配套安裝，頂部安裝有齒壓板，最終由57根穿心螺桿按照設計力矩進行緊固。定子普通硅鋼片厚度均為0.35 mm，通風溝槽片由5 mm高的T型鍵和0.5 mm厚的硅鋼片焊接而成。

每根定子穿心螺桿絕緣結構主要包括：上下端部絕緣墊圈、上下端部絕緣套管及中間部位的絕緣襯套組成。其中絕緣墊圈上下各1個，絕緣套管上下各1個，中間部位絕緣襯套16個。具體結構如圖3、圖 4所示。

圖3 定子穿心螺桿頂部結構圖

3.2 定子鐵心及穿心螺桿絕緣結構分析

該電站定子鐵心及螺桿絕緣結構在最初設計中，穿心螺桿絕緣結構是分段式的，在中間部位絕緣襯套的頂部2層通風溝之間形成一段“盲區”，即穿心螺桿、絕緣襯套及定子鐵心之間形成的區域，這個區域在機組安裝或后期運行過程中都會積累雜質。矩形標注處即為“盲區”，如圖5所示。

圖4 定子穿心螺桿底部結構圖

圖5 定子鐵心及穿心螺桿絕緣結構存在的“盲區”

該電站定子鐵心的穿心螺桿設計為分段結構存在“盲區”，從而導致風洞內的金屬粉塵通過定子鐵心通風溝進入穿心螺桿周圍的間隙，造成穿心螺桿與鐵心存在多點短路。穿心螺桿上的感應電壓因短路而產生巨大的短路電流，并形成放電弧光，因而最終燒壞穿心螺桿與鐵心。

3.3 定子鐵心穿心螺桿運行時感應電壓的計算

（1）計算前提條件：假設當定子鐵心穿心螺桿上2點接地故障被認為位于螺桿的各末端上，此時感應電壓最大。

（2）假定螺桿的徑向位置處在楔槽的底部，該螺桿感應電壓與槽內定子繞組的單根線棒中感應電壓值等同。該穿心螺桿或定子線棒的電壓是由以下公式計算[3]：

其中，U：定子的額定電壓；U=18 000 V

Z：每個并聯回路和每一相的串聯的線棒數；Z=38

kb：繞組因數； kb=0.926

計算結果：Ubar=295 V

但是，對于該機組定子穿心螺桿實際位置位于距離定子鐵心后部232 mm（hb）的鐵心磁軛內部。從楔槽的底部到外部定位筋的槽的高度大約410 mm（h）j，假定電壓與到楔槽底部的距離成反比例，那么實際螺桿感應電壓將為：

定子鐵心及螺桿燒損后57根螺桿絕緣電阻測量，測量數值如表1所示。

由以上計算可知，電阻值較小，在感應電壓作用下形成較大循環電流，導致螺桿及鐵心燒損。

3.4 定子穿心螺桿絕緣襯套檢測分析

為找出該電站4號機螺桿存在銹跡原因及便于最終事故分析，對存在銹跡的絕緣襯套任意選取2個送到制造廠實驗室進行化學成分分析。

3.4.1 電氣性能試驗

根據CEI60093及相關試驗標準對該樣品進行電阻率測量。

絕緣襯套電阻測量結果如表2所示。

3.4.2 化學分析

化學分析采用2種方法進行。第1種方法是紅外光譜法，用于測量環氧樹脂襯套的基本化學組成成分；第2種方法是熱量測定和熱重分析法，在基本化學組成成分分析的基礎上獲取更多的相關信息。

通過進行化學成分分析，得出如下結論：絕緣襯套中含有玻璃纖維和酚醛樹脂，金屬含量較大約0.6%，尤其含鐵、鋁成分多，影響絕緣襯套的絕緣性能。

研究結果表明：該電站定子穿心螺桿絕緣襯套含金屬成分略大導致其絕緣性能降低，加之電站定子鐵心及螺桿絕緣結構采用分段式，在中間部位絕緣襯套的頂部2層通風溝之間形成一段“盲區”，導致風洞內的金屬粉塵通過定子鐵心通風溝進入穿心螺桿周圍的間隙，造成穿心螺桿與鐵心存在多點短路。絕緣破損后，穿心螺桿上的感應電壓因短路將產生巨大的短路電流，電流數量級大致在千安級別，并形成放電弧光，因而最終燒壞穿心螺桿與鐵心。

針對4號機定子鐵心及穿心螺桿燒損的故障分析原因，從有效解決“盲區”方面進行研究。此次絕緣結構改進從以下幾方面進行嚴格控制：

（1）更換全部定子穿心螺桿，并將定子穿心螺桿表面涂刷2次絕緣漆，測量其絕緣電阻不低于1GΩ；

（2）更換原有的絕緣襯套，將襯套的上部進行延伸與上一層通風溝底部平齊，以有效消除“盲區”，新的絕緣襯套結構如圖6、圖7所示。

圖6 新絕緣襯套后結構圖

圖7 新絕緣襯套尺寸圖

（3）對新的絕緣襯套進行嚴格質量控制，確保其金屬成分滿足技術要求，以提升其絕緣性能。

該電站4號機定子穿心螺桿絕緣結構改進后，對4號機定子鐵心絕緣電阻值進行測量，結果表明，測量的螺桿絕緣電阻滿足設計要求。

將以上改進措施用于電站其他機組，在近3年的運行中，從未出現過螺桿接地現象，也從未開展定期鐵心及螺桿吹掃工作。綜上所述，對該電站4號機定子穿心螺桿絕緣結構的改進效果良好，其改進措施也適用于其他相似機組。

4 結論

根據寶泉電站在進行發電機開路試驗時出現的定子鐵心燒損現象，本文對穿心螺桿絕緣結構進行研究分析，研究發現：分段式絕緣結構存在“盲區”；穿心螺桿絕緣襯套金屬成分略大，導致回路電阻小，最終形成較大循環電流因而燒損螺桿及鐵心。本文根據研究結果對定子穿心螺桿絕緣結構進行改進以消除“盲區”，對定子穿心螺桿進行更換，并在改進后對其電阻值進行測量，滿足設計要求，改進效果良好，有效解決了4號機定子穿心螺桿絕緣降低現象，為電站后期穩定運行提供保障，同時也為其他電站和設計單位解決相似問題提供依據。