水電機組定子硅鋼片位移故障分析與處理

傅軍

摘 要：闡述了緊水灘機組定子鐵芯底部硅鋼片位移的特點和位移量，結合定子端部磁場和鐵芯溫度的分布規律，分析了硅鋼片位移的起始原因，即硅鋼片溫度的不均勻分布乃至局部過熱，而該型機組鐵芯的結構使得硅鋼片均勻壓緊難度大，在機座振動和電磁力的作用下，硅鋼片位移量不斷加大，當松動的硅鋼片固有頻率與某段頻率的電磁力存在共振關系時，就會引起磁固耦合雙重共振，使得位移呈跳躍性擴大而危及定子線棒絕緣。另外，還介紹了故障的處理方法，提出了在設計、安裝等方面防范此類故障的措施和建議。`

關鍵詞：端部磁場;鐵芯溫度;硅鋼片位移;磁固耦合;故障處理

0 引言

緊水灘水電站位于浙南甌江干流龍泉溪段，共有6臺50 MW的SF-K50-30/6400型混流式機組，分別于1987—1988年投運。自2005年起，先后有5臺機組定子鐵芯底部的硅鋼片出現不同程度的位移問題，而隨著多年來對問題機組定子鐵芯及線棒的整體改造，目前硅鋼片位移的問題已從根本上得到解決。本文試從定子端部磁場、定子溫度的分布特征、鐵芯結構和磁固耦合共振等方面分析其形成及擴大的原因，并介紹有效的故障處理方法，以供參考。

1 故障描述

該型機組的定子共324槽，雙路徑向封閉自循環通風方式。硅鋼片外徑6 400 mm，內徑5 760 mm，高度1 500 mm，硅鋼片整圓由27張扇形硅鋼片疊裝，有108根拉緊螺桿，54根定位筋。

有5臺機組的定子鐵芯都曾出現過不同程度的硅鋼片位移問題，共同點是都在定子鐵芯最底下的一層發生硅鋼片內圓徑向位移，不同的是位移的量為3～7 mm不等，位移的槽也不相同。

最嚴重的是6號和2號機組，曾發生過定子單相接地故障。其中6號機組檢查后發現定子第31槽的下層線棒有一條長約10 mm、深約6 mm的割痕，棒與槽間的半導體漆布和墊條被割破，硅鋼片的內圓徑向位移約7 mm，其軛部有明顯的過熱和放電痕跡，而逆時針方向的相鄰硅鋼片亦有少量的徑向位移。

2號機組的情況與6號機組大同小異，其他3臺機組雖未發生定子接地故障，但都發現了不同程度的硅鋼片位移現象。

圖1和圖2分別是硅鋼片位移和變形的實圖。

硅鋼片產生位移與變形的現象，與其所處環境的電磁力、振動大小以及溫度冷熱不勻有關。

2 定子鐵芯磁場分布及溫度實測

根據文獻[1]，水輪發電機定子端部的磁場分布規律為：磁密以邊段鐵芯處最大，壓指次之，壓圈最小，隨著端面徑向尺寸的增大，磁密逐漸減小。

定子鐵芯各部位的溫度高低主要取決于該部位漏磁場的大小，而漏磁場引起的磁滯損耗和渦流損耗與漏磁密的平方成正比。

根據定子端部的磁場分布規律及水電機組定子鐵芯的結構特點分析，沿定子軸向長度溫度最大的為定子硅鋼片的端邊段、定子齒壓板和定子壓圈三個部位;而沿定子邊段硅鋼片徑向溫度最大的為端部壓指頂、邊段硅鋼片的齒部位置，即位于鐵芯端部的硅鋼片齒部位置溫度最高。

而機組在運行時，位于鐵芯底部的硅鋼片，由于通風條件差、積垢多而散熱性差，是定子鐵芯溫度最高的部位。

圖3所示為DL700CE型紅外測溫儀檢測到的定子鐵芯溫度分布圖，其中位于槽底近轉子側的Area01區溫度最高，達到92.9 ℃，和分析的結果相吻合。

區域Area02的最高溫度為80.5 ℃、Area03的最高溫度為88.2 ℃、Area04的最高溫度為78.8 ℃，周圍鐵芯溫度最低為51.6 ℃，最大溫差值達41.3 ℃，該時間段的環境溫度為25.9 ℃。

3 硅鋼片初始位移的產生

硅鋼片溫度的不均勻分布乃至局部過熱，會導致定子硅鋼片位移與變形。

由文獻[2]可知，水輪發電機的硅鋼片內外溫度差20 ℃時，此時硅鋼片內圓徑向位移變化在0.65～1.3 mm，硅鋼片中間部位的位移較小，兩端位移大。以環境溫度20 ℃為基準，溫度每升高5 ℃，硅鋼片內圓徑向位移變化0.44 mm。

依此計算，機組運行時，鐵芯本體溫差最大值達41.3 ℃，和環境溫度的差值更是高達67 ℃，位于槽底的硅鋼片內圓徑向位移估算值有5.7 mm之多。

硅鋼片過熱后，片間的漆膜會由于溫升而老化并逐漸收縮，在硅鋼片間形成微小的不均勻間隙，運行多年的機組，則可能存在多個部位的定子鐵芯硅鋼片片間間隙。

在定子鐵芯結構方面，該型機組用于壓緊定子硅鋼片的盒形壓齒，僅有一半長度位于機座上，另一半為懸臂梁結構。螺栓壓緊時，軛部受力較大，齒部受力較小。在齒端張力的作用下，靠近齒根的壓力大，靠近齒端的壓力小，因此硅鋼片在安裝時均勻壓緊的難度較大。

綜上所述，溫度高、片間間隙大、壓緊力不均勻的鐵芯底部硅鋼片，在電磁力、振動等外力的長期作用下，容易產生位移及位移累增。

硅鋼片位移后，使得該部位鐵芯的內圓徑向伸出長度增加，漏磁增大，溫升增大，繼而硅鋼片位移加速。

4 磁固耦合共振與硅鋼片位移擴大

某個部位的硅鋼片位移，使得該部位的定、轉子間氣隙發生變化，氣隙的變化使得發電機偏心磁拉力顯著加大，硅鋼片受力后振動加劇，嚴重時將導致硅鋼片位移松動及變形。

松動的硅鋼片，其固有振動頻率在一定范圍內變化，出現接近于激勵頻率的低階固有頻率。低階的固有振動頻率與發電機氣隙磁場頻率相耦合時，會使得電磁力的頻譜成分變得很豐富。

若某段電磁力頻譜與硅鋼片低階固有振動頻率存在共振關系時，將激發危險的磁固耦合雙重共振及次生的亞諧共振或超諧共振，共振的最大幅值比工程實際允許的最大幅值要大幾十倍到上百倍[3]。

磁固耦合雙重共振使得松動的硅鋼片成為一個非線性振動系統，位移速度呈跳躍性增大，導致定子繞組絕緣被磨損、電化腐蝕現象加劇，若不及時發現，即會造成定子單相接地故障。