大型水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子引線穿軸部分燒蝕分析及處理

任天明

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

轉(zhuǎn)子引線作為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的重要組成部分，作用是將勵(lì)磁電流從集電環(huán)引至磁極，部分機(jī)組結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子引線需要穿過發(fā)電機(jī)頂軸軸壁，對(duì)于高轉(zhuǎn)速機(jī)組多采用導(dǎo)電桿配合螺母連接的穿軸結(jié)構(gòu)。

1 問題概述

2016年國(guó)內(nèi)某水力發(fā)電廠的一臺(tái)機(jī)組發(fā)電機(jī)滿負(fù)荷跳機(jī)，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)負(fù)極轉(zhuǎn)子引線下端穿軸螺桿連接處發(fā)生過熱燒蝕見圖1，螺母與引線表面燒蝕明顯，燒蝕轉(zhuǎn)子引線穿軸部分結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 轉(zhuǎn)子引線穿軸部分燒蝕照片圖

圖2 燒蝕轉(zhuǎn)子引線穿軸部分結(jié)構(gòu)圖

2 問題分析

從事故現(xiàn)象分析，事故的發(fā)生原因是轉(zhuǎn)子引線相關(guān)零部件接觸部位過熱。我們對(duì)能夠引起轉(zhuǎn)子引線相關(guān)零部件接觸部位過熱的原因作了分析。

2.1 電密分析

2.1.1 螺母與引線接觸部位

該轉(zhuǎn)子引線穿軸部分結(jié)構(gòu)主要考核導(dǎo)電桿過流的電流密度和引線連接處的接觸電密，由于結(jié)構(gòu)安裝需求限制，導(dǎo)電桿端部為M42螺紋見圖3，而連接引線見圖4，開孔為Φ44 mm，理論上存在連接引線與導(dǎo)電桿螺紋不接觸的情況，此情況下引線連接處的過流接觸面積為左右螺母和連接引線的接觸面積，即兩個(gè)螺母?jìng)?cè)面的面積之和2S1=6 236 mm2。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子額定勵(lì)磁電流(IN)為1 713.3 A，導(dǎo)電螺母與轉(zhuǎn)子引線的接觸電密為IN/2S1=0.27 A/mm2，小于轉(zhuǎn)子引線的接觸電密限值為0.4 A/mm2。

1.導(dǎo)電桿；2.螺母；3.連接引線

圖4 連接引線安裝開孔示意圖

2.1.2 導(dǎo)電桿自身電密

連接處導(dǎo)電桿的最小截面積為S2=πr2=1 082.7 mm2，導(dǎo)電桿最小直徑處的電流密度為IN/S2=1.58 A/mm2,小于轉(zhuǎn)子引線的電流密度限值2.5 A/mm2。

2.1.3 螺母與導(dǎo)電桿接觸部位

單螺母與導(dǎo)電桿螺紋有效接觸面積S3=3 417.3 mm2，螺母與導(dǎo)電桿接觸部位電密為IN/2S3=0.25 A/mm2，小于轉(zhuǎn)子引線的接觸電密限值為0.4 A/mm2。

綜上，在螺母與引線接觸部位、導(dǎo)電桿自身、螺母與導(dǎo)電桿螺紋連接部位的電密均在合理范圍內(nèi)。

2.2 制造或安裝中可能出現(xiàn)的問題

2.2.1 螺母與引線接觸不良

當(dāng)接觸表面不平整時(shí)，即螺母或連接引線接觸面的平面度不滿足要求時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致連接引線與螺母連接不緊實(shí)，造成局部虛連；當(dāng)螺母在振動(dòng)或者螺母沒有把緊情況下時(shí)，造成接觸部位虛連，在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，產(chǎn)生局部過熱，最終導(dǎo)致該部位產(chǎn)生燒蝕。機(jī)組頻繁啟停，極有可能造成螺母松動(dòng)。

2.2.2 螺紋加工偏差也可能造成虛連

由于普通螺紋連接的螺紋副是用于傳遞把緊力，螺母的螺紋和導(dǎo)電螺桿螺紋的牙型均存在公差，當(dāng)采用螺紋連接時(shí)，真正受力的僅是相互嚙合的8～10扣，其余螺紋副處于虛接或不接觸狀態(tài)，處于虛接狀態(tài)的螺紋副導(dǎo)電時(shí)電密將增大，導(dǎo)致局部過熱，機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，造成該位置燒蝕。

由上述分析可知，該機(jī)組發(fā)生轉(zhuǎn)子引線穿軸部分燒蝕的現(xiàn)象，可能是多方面因素綜合導(dǎo)致的。

3 問題處理

由于螺紋副導(dǎo)電存在較大的虛接風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)更改結(jié)構(gòu)解決該問題。將螺紋導(dǎo)電更改為平面搭接導(dǎo)電，避免原結(jié)構(gòu)由于引線相關(guān)零部件接觸不嚴(yán)及螺紋加工不合格造成虛連，并最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)子引線局部過熱被燒蝕的可能性。

3.1 結(jié)構(gòu)介紹

更改后的導(dǎo)電桿結(jié)構(gòu)見圖5,將穿軸的導(dǎo)電桿用銅棒整體加工，一側(cè)加工出圓柱頭，可配合墊圈安裝在頂軸軸壁內(nèi)側(cè)，同時(shí)在制造廠內(nèi)將圓柱頭端面與轉(zhuǎn)子引線銅排銀焊成一體，并用螺栓進(jìn)行把合。導(dǎo)電桿另一側(cè)加工成平面并加工出安裝孔，工地安裝時(shí)將其與需要連接的轉(zhuǎn)子引線銅排錫焊成一體見圖6，并用螺栓把合。導(dǎo)電桿穿軸位置表面滾花處理，用絕緣材料浸膠包繞并熱壓成一體，在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)纏繞絕緣材料保證與頂軸軸壁開孔之間無(wú)間隙。

圖5 更改后導(dǎo)電桿結(jié)構(gòu)圖

3.2 結(jié)構(gòu)可靠性分析

新結(jié)構(gòu)取消了原有結(jié)構(gòu)螺紋導(dǎo)電，改為平面導(dǎo)電，避免了由于螺紋副配合公差和螺紋把合松動(dòng)造成局部虛連，最終過熱燒蝕轉(zhuǎn)子引線穿軸部分。下面從兩方面對(duì)新結(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行分析。

圖6 更改后導(dǎo)電桿穿軸安裝結(jié)構(gòu)圖

3.2.1 接觸部位電流密度可靠性分析

相較于原結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子引線穿軸部分結(jié)構(gòu)，新結(jié)構(gòu)將導(dǎo)電桿左右均加工出平面，使用平面連接導(dǎo)電，并將接觸平面采用銀焊和錫焊焊接成一體，平面接觸能夠保證接觸面緊密，不發(fā)生虛連，防止了局部過熱燒蝕轉(zhuǎn)子引線的可能。

該水電站采用上述結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，導(dǎo)電桿與引線在制造廠內(nèi)銀焊成一體，二者接觸面積為S3=6 036 mm2，接觸電流密度為IN/S3=0.28 A/mm2，小于轉(zhuǎn)子引線的接觸電密限值0.4 A/mm2。

導(dǎo)電桿右側(cè)平面與連接引線的接觸面積為S4=8 178 mm2，接觸電流密度為IN/S4=0.21 A/mm2，小于轉(zhuǎn)子引線的接觸電密限值0.4 A/mm2。

導(dǎo)電桿截面最小處為矩形平面，面積為S5=960 mm2， 電流密度為IN/S5=1.78 A/mm2， 小于轉(zhuǎn)子引線的電流密度限值2.5 A/mm2。

3.2.2 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠性分析

(1) 導(dǎo)電桿穿軸位置滾花后包繞浸膠絕緣材料，保證絕緣材料包繞緊實(shí)并且固化后不會(huì)與導(dǎo)電桿松脫發(fā)生相對(duì)位移。

(2) 工地安裝導(dǎo)電桿時(shí)，在穿軸處包繞，與頂軸軸壁開孔無(wú)間隙，防止機(jī)組運(yùn)行時(shí)振動(dòng)，導(dǎo)致導(dǎo)電桿與頂軸相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦破壞絕緣結(jié)構(gòu)造成導(dǎo)電桿與頂軸短接發(fā)生事故。

(3) 導(dǎo)電桿安裝時(shí)，在頂軸內(nèi)側(cè)安裝墊圈，防止機(jī)組運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)電桿在離心力作用下向外徑方向串動(dòng)，牽拉轉(zhuǎn)子引線，對(duì)引線造成損傷或造成引線變形接地。

(4) 導(dǎo)電桿軸壁內(nèi)側(cè)上下均用線夾固定，防止導(dǎo)電桿向軸壁內(nèi)位移。

綜合上述分析，更改后的結(jié)構(gòu)，能夠在機(jī)組運(yùn)行時(shí)保證轉(zhuǎn)子引線穿軸處工作可靠。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)轉(zhuǎn)子引線穿軸部分燒蝕問題，在今后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中應(yīng)該注意轉(zhuǎn)子引線連接需要緊密并且可靠固定。新的轉(zhuǎn)子引線穿軸結(jié)構(gòu)能夠在機(jī)組運(yùn)行時(shí)可靠工作，為今后類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供思路。