抽水蓄能機組轉子磁極典型故障（缺陷）原因分析及對策

陳俠　胡棟 胡偉

【摘 要】抽水蓄能機組啟動速度快，負荷調節范圍廣。它不僅能完成調峰、填谷、調相、調頻、事故備用等任務，而且能提高能源利用率。因此，近年來發展迅速。在抽水蓄能機組中，定子和轉子磁場以同步速度旋轉。它們之間的相互作用產生電磁力。為了實現能量轉換，發電機組必須克服切向電磁力的作用，將機械能轉換為電能。因此，轉子作為抽水蓄能機組的重要組成部分，是保證發電和抽水成功的關鍵，其質量直接關系到抽水蓄能機組的安全運行。

【關鍵詞】抽水蓄能機組；轉子磁極；故障（缺陷）；）原因及對策

中圖分類號：TM862 文獻標識碼：A

引言

本文主要對抽水蓄能機組轉子磁極典型故障（缺陷）原因進行了簡要的分析，希望可以為相關人員提供一定的參考。

1轉子磁極故障分析

磁極線圈是水輪發電機的核心部分，匝間短路和接地故障為轉子磁極的主要故障。線圈匝間、引線夾和接頭的絕緣防護也就成了核心部分，檢修磁極絕緣防護就直接影響發電機正常穩定運行，這就對磁極線圈匝間一定要有可靠的絕緣性要求。制造工藝不良或者安裝維護不當都會引發匝間短路；轉子引線是水輪發電機中連接勵磁系統與磁極的重要部件，轉子引線其故障主要為機械應力的破壞。以下對轉子磁極檢修故障大致經驗總結。（1）機組運轉時產生的碳粉或因檢修時匝間縫隙有焊渣、焊錫滴等雜物未清理干凈，引起短路導致磁極引出線發熱被燒斷的故障。（2）當機組在高速運轉中時，機組振動時轉子磁極所受的機械應力會使磁極把合螺栓產生松動，使其磁軛和磁極之間的向心力位移。轉子磁極的極間接連片和把合螺栓間產生縫隙，使磁極匝間線圈開裂短路。（3）轉子磁極長期運行會使得磁極引線片連接片和連接螺栓極易發熱燒斷現象，融化的銅屑和碳粉滯留在機組中，造成了轉子磁極燒損匝線短路。（4）由于轉子磁極常處水電站潮濕空氣環境區域，空氣濕度會進入到鐵心和線圈間隙，滑環散落的碳粉和油霧混合物受潮以后，經機組運轉時會帶到磁極和線圈上，磁極鐵心和磁極線圈在主絕緣間隙間會形成一個半導體的介質，主絕緣防護下降，因介質導電而形成的短路。

2抽水蓄能機組轉子磁極典型故障（缺陷）原因分析及對策

2.1轉子磁極引線及連接線本體缺陷簡述及原因分析

2.1.1原因分析

某抽水蓄能電廠磁極連接線本體裂紋缺陷僅在機組投產初期出現過，其根本原因是磁極連接線原設計采用剛性連接，垂直于磁軛上端面切向連接。采用此種連接方式沒有考慮到機組轉速過高、啟動頻繁、正反轉的特點。當機組高速轉動時磁極連接線彎部出現應力局部集中，無法有效補償機組運行時振動、溫升、電磁力、疲勞、飛逸時的離心力及電氣短路等產生的變形，導致磁極連接線本體出現裂紋。

磁極引出線采用剛性連接，磁極連接線各部件裝配時由于修型矯正時工藝不當導致材質受損引起連接線局部機械損傷，運行中由于振動、溫升、電磁力產生的變形產生裂紋。

2.1.2轉子磁極引線及連接線本體缺陷對策建議

1）嚴格按照制造廠提供的運行維護手冊中要求緊固件的檢查內容、標準進行現場檢查確認。2）建議將發電機磁極引出線無損探傷列為金屬監督項目，B級以上檢修實施。3）建議各單位應明確磁極連接線檢修工藝要求及危險點分析預控措施；檢修中對磁極引出線做好防護，以避免保護措施不完善引起磁極引出線損傷。4）結合機組檢修應對磁極引出線、極間連接線進行檢查有無移位、變形、裂紋等。5）磁極連線A級檢修中應對磁極連接線絕緣進行全面檢查。對出現破損或異常部位，應按照相關工藝要求進行處理。抽查兩根磁極連接線，剝開磁極連接線絕緣檢查焊縫無開裂現象。磁極連接線外觀檢查，磁極連接線表面清潔，Ω連接無裂痕。磁極連接線接觸電阻試驗，用微歐儀測量磁極連接線的電阻，試驗電流不小于100A，電阻應在規定范圍內。6）定期檢查磁極連接線螺栓標記線有無變動與磁極引線與磁極連接線處有無由于過熱而變色的現象。

2.2轉子一點接地故障原因分析

2.2.1原因分析

檢查發現，撕裂部位是磁極引線長軟連接最外側銅片，且撕裂位置均為引線根部（磁軛側）。主要原因是該種型式的磁極軟連接在易出現裂紋的根部位置承受的離心應力較高，且各層軟銅片受力不均，尤其是最外側銅片整體受力較大，如果再受外力碰壓損傷變形，則更易造成撕裂。

2.2.2轉子一點接地故障對策建議

在撕裂片數不多時，可采取撕掉已經發生撕裂的軟連接銅片的方法進行處理。在設計時，磁極軟連接的載流密度留有一定的裕度，軟連接缺少數片不影響載流量，但應符合DL/T817—2014《立式水輪發電機檢修技術規程》中磁極引線缺失15%需要更換引線的規定。以該臺機組為例，28片銅片最多只能缺失4片，撕掉4片后，若再發生撕裂就要更換引線。為了避免軟連接繼續撕裂，需要采取臨時措施，防止軟連接繼續撕裂后再次造成轉子一點接地跳機故障。

2.3定子繞組損毀故障原因分析

2.3.1原因分析

當發電機處于開機過程，轉速已達到額定轉速，且處于空載狀態時，磁極擋塊在運行中脫落擊中定子線圈導致定子接地故障及相間短路故障。在定子線圈損壞期間，若故障電流未達到發電機縱聯差動保護動作值，則繼電保護不動作。而當前國內大多數大型水輪發電機繼電保護均配置了啟停機保護，當以啟停機保護的差流為判據，發電機在啟動過程中發生相間短路故障，發電機勵磁系統在機組未到額定轉速時便投入勵磁，此時啟停機保護在判斷出相間短路故障后動作。由于發電機啟動或停機過程中，定子電壓頻率很低，因此啟停機保護采用了不受頻率影響的算法，保證了啟停機過程中對發電機的保護。

2.2.2故障對策

水輪發電機啟停機保護整定情況可作如下參考：（1）頻率閉鎖定值fop=0.9×50=45（Hz）；（2）定子接地保護定值Uop=10V，t=2s；（3）發電機差流啟停機定值按額定頻率，大于滿負荷運行時的差動回路中的不平衡電流整定Iop=KrelIunb=0.3Ie；（4）動作出口，跳發電機出口開關、滅磁開關，發電機停機。不平衡電流整定Iop根據工程實際經驗取0.3Ie，時間定值無延時。對于零序過電壓啟停機保護，配置了靈敏度更高的定子接地保護動作，跳閘延時。考慮到發電機差動保護的差流算法與啟停機保護的差流算法略有不同，發電機差動保護在頻率未達到45Hz前仍有可能測算不準確。

結束語

綜上所述，本文以抽水蓄能電廠轉子磁極典型故障為例，對轉子磁極缺陷進行原因討論，并提出了可行的對策建議，為以后新建抽水蓄能電廠轉子磁極設計和已建成抽水蓄能電廠的轉子磁極維護都提供了指導性的意見。

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（作者單位：國網新源控股有限公司檢修分公司）