抽水蓄能機組發電電動機磁極線圈位移的分析與監造

趙貴前，郝國文

（1.國網新源建設公司，北京市 100053；2.國網新源控股有限公司，北京市 100761）

0 引言

抽水蓄能機組發電電動機磁極線圈多是由扁銅排做成的矩形線圈，采用四角焊結構，匝間敷設專用的絕緣，在一定壓力下加熱后使磁極線圈黏結在一起（一般都帶有散熱匝），套在磁極鐵芯上，所有線圈都串聯在一起，接到勵磁裝置。磁極線圈對地絕緣通常由極身絕緣、托板絕緣（含磁極內托板、磁極外托板）構成。總的來說，抽水蓄能機組磁極是一種在高轉速狀態下的磁極懸掛結構，其磁級線圈承受著巨大的離心機械應力、熱負荷應力和電磁負荷應力，時刻存在著出現磁極線圈位移的可能，為此，就抽水蓄能發電電動機磁極線圈運行中出現過的位移故障進行分析并用來指導現有在建機組監造，很有意義。

1 在運抽水蓄能機組出現過的發電電動機磁極線圈位移故障

某在運抽水蓄能機組，發生了一起典型發電電動機磁極線圈位移故障，磁極線圈第一匝（靠近極靴處）下端短邊銅排（圓弧段）軸向向上產生位移，位移伸出內表面的短邊銅排將磁極極身絕緣破壞，導致轉子一點接地。故障情況如圖1所示，其中I、II、III號銅排為保持整個線圈上表面平齊的填充銅排。出現接地的磁極線圈是其I、II號銅排沿圖示紅色線條示意向磁極中心線位移，錯位后填充磁極線圈和磁極鐵芯之間間隙，最終破壞極身絕緣。

圖1 磁極線圈位移示意圖Figure 1 Schematic diagram of magnetic pole coil displacement

2 磁極線圈位移的分析

2.1 離心力的分析

立式發電電動機運行時，轉子旋轉，磁極線圈產生離心力F，這個力可分解為兩個互相垂直的分力Fd和Fq，Fd施加在磁極鐵芯的極靴，Fq施加在線圈本身，以矩形磁極為例，受力情況見圖2。

發電電動機的轉速與極對數成反比，當極對數少時，轉速就高，離心力F也就大，特別是當機組飛逸時轉速很高，磁極線圈產生的離心力F也會很大[5]，有可能致使組成磁極線圈的銅母線沿側向產生有害變形位移。以最嚴重的飛逸狀態計算此時磁極線圈的受力情況如圖2所示，F= 9.8AjGjRj，式中Aj為飛逸轉速時的離心力系數，Gj為極靴下的線圈重量，Rj為磁極重心半徑，角α為勵磁線圈外框重心與磁極重心間夾角。線圈位于磁極沖片兩側，在離心力F的作用下，側向分力為Fq=F×sinα，這個側向分力會使磁極線圈長邊發生拉伸變形，短邊則被彎曲。為了防止勵磁線圈因離心力而發生位移變形，目前主要采取兩種方法，一種是在磁極線圈側面加幾道圍帶限制線圈產生變形位移；另一種是把磁極線圈外框做成形似圓環的一部分，使其圓心選在發電機的軸線上，做成塔形向心磁極線圈[2]，目的是讓Fq=0，即磁極線圈在運轉中產生的離心力在側向的分力等于零，線圈的離心力F方向垂直于極靴底面，平行于極身側面，使得銅母線在側向不受到力的作用。理論上講塔形向心磁極線圈在機組正常運行時不產生側向力，銅排、絕緣、托板之間也無側向滑動，不會對線圈產生損壞。塔形向心磁極線圈制造上較復雜，磁極線圈理論上不存在側向分力，只是由于線圈制造或磁極安裝偏差，在實際運行時線圈微弱受側向分力。

圖2 磁極線圈離心力示意圖Figure 2 Schematic diagram of centrifugal force of magnetic pole coil

上述在運抽水蓄能機組勵磁線故障線圈，采用的是塔形向心型磁極線圈，并且有側向圍帶，離心力的影響得到了消除，而故障部位是勵磁線圈短邊銅排向里位移將磁極主絕緣割破的，顯然發生的故障不會是由于離心力導致。

2.2 電磁力的分析

由于定子和轉子之間氣隙不可能達到理想的均勻，所以，發電電動機轉子運行時除受到主要的切向電磁力外，還要有一點徑向和軸向電磁力，但這些力主要分布在磁極表面，相關計算比較復雜，限于篇幅，這里不再進行計算，具體到勵磁線圈受力不會存在個別線匝的明顯差異，下端部每匝線圈軸向向上的電磁力非常小，不會造成磁極線圈的位移，另外上述在運抽水蓄能機組勵磁線圈故障匝銅排僅為填充作用，不載流，因此可以排除此次銅排位移問題由磁極線圈受的電磁力引起。

2.3 熱應力的分析

正常運行（線圈熱態）時，整個磁極線圈在額定工況下受熱膨脹，磁極線圈下端部其主要熱變形方向是軸向向下。首匝線圈I號銅排（軸向長邊銅排）徑向方向受到其余匝離心力F（這個力是垂直壓向極靴）作用，使得首匝的I號銅排與絕緣托板存有摩擦力f，其中銅排所受的摩擦力為軸向向上。因磁極線圈絕緣托板與銅排接觸面敷設有減小摩擦力的滑移層，故該軸向向上的摩擦力較小，正常情況下該摩擦力不會阻礙磁極線圈自由熱膨脹。

冷態停機時，首匝線圈I號銅排不再受到其余匝離心力F（這個力是垂直壓向極靴）作用，相對絕緣托板之間的摩擦力f近似為零。整個磁極線圈將恢復原狀態，此時Ⅰ號銅排將會隨著其他匝銅排一起軸向向上位移復位。

從上面熱負荷應力分析可以看出絕緣托板上的滑移層很重要，絕緣托板涂刷工藝不到位（如攪拌不均勻、涂刷次數不夠等）或絕緣托板打磨過量，都將會增大磁極線圈與絕緣托板之間的摩擦力f增大，從而阻礙磁極線圈自由熱膨脹，對于該處磁極線圈，在熱態時由于與絕緣托板之間較大摩擦力的抑制，Ⅰ號銅排相對于其他銅排位移較少，而冷態停機時該匝銅排因黏接力跟隨其他銅排一起上移。多次冷熱態交替后，Ⅰ號銅排將沿軸向向上產生較大位移，由于Ⅱ號銅排（圓弧短邊）與Ⅰ號銅排焊接為一體，相應的逐次帶動Ⅱ號銅排軸向向上位移，多次積累后，位移部分填充這個極身絕緣與銅排內表面間隙，最終破壞絕緣，導致線圈接地。

由此，離心力和電磁拉力對絕緣托板應力值影響較大，而對于磁極線圈及其他構件的影響較小[3]，熱應力始終是磁極線圈最主要的影響因素。磁極線圈溫度較高，相對于極靴表面的鐵損，磁極線圈所產生的銅損對溫升影響較大，一旦絕緣托板上的滑移層不合格，就出現了銅排相對位移，所以，熱應力的影響在整個磁極線圈的應力值中是主要的。

3 在監造中采取的措施

設備監造的最終目的是為了設備運行可靠有質量上的保證，總結設備運行中出現過的故障，才能不斷提高監造的水平。通過在運抽水蓄能機組運行過程中磁極線圈位移問題的分析，明確了磁極線圈位移的主要原因是熱應力的影響，絕緣托板與磁極線圈銅排之間接觸面的摩擦系數對填充匝銅排的位移是外因，在方案設計和制造過程控制時應保持其數值在一定安全范圍內[4]。為此，檢查同類型機組設備的監造，在其他項目單位發電電動機磁極線圈的監造中，及時與制造廠和相關設計院進行討論，在確認設備材質和設計沒有問題的情況下，進一步確認了制造中改進的工藝措施，加強對磁極整個裝配過程進行監控，增加見證點，除了對線圈制造過程控制外，還進一步加強對裝配過程的控制記錄。新增見證點如下：①在線圈首匝、末匝、中間匝各設置溫度測量點，優化線圈制造模具結構，減少首末匝線圈溫差，保證線圈各部位溫度滿足要求；②在線圈熱壓時，在油壓機上測量線圈高度，施加壓力按圖紙要求控制，保證熱壓到位，壓力和時間滿足工藝規范要求[1]；③絕緣托板與磁極線圈接觸面采用敷設滑移層結構，滑移層薄膜與絕緣托板熱壓為整體；④利用高強度層壓板配合毛氈將磁極鐵芯極身端面最寬處與線圈之間的間隙塞實，以進一步確保銅排不會移動甚至磨損絕緣。

4 結束語

在運抽水蓄能機組磁極設備除了發生過磁極線圈位移故障外，還發生過磁極引線故障、磁極線圈支撐故障，這些故障給相關運行單位造成了一定的損失，所以，監造工程師應關注在運抽水蓄能機組設備運行中出現的故障，并加以分析，將抽水蓄能機組技術監督管理中的設備質量監督要求落實到設備制造的監造過程中，實現設備運行技術與設備監造動態結合，真正將問題消滅在設備制造階段，是監造發揮質量監督的有效手段之一。