水輪發電機定子鐵芯松動斷裂原因分析與處理

四川華電瀘定水電有限公司 呂春紅

1 引言

某水電站位于四川省瀘定縣境內的大渡河干流上，安裝4 臺單機容量230MW 混流式水輪發電機組，總裝機容量為920MW，電站主要任務為發電。發電機型號為SF230-60/14600，設備供應商為哈爾濱電機廠，水輪發電機基本參數如表1所示。

表1 水輪發電機基本參數

定子鐵芯由定子扇形片、通風槽片、定位筋、齒壓板、拉緊螺桿及固定部件等組成。定子鐵芯通過拉緊螺桿壓緊，沖片軛部鴿尾槽與定位筋相連，定位筋通過托塊與定子機座連接為一個整體。定子鐵芯端部采用3 段階梯結構，階梯沖片采用黏接技術，保證鐵芯端部整體性。

2 異常現象

2021年12月，該水電站2 號機組大修過程中，檢修人員清洗2臺發電機定子時，發現定子第325槽旁擋風板外部有金屬片穿透現象，擋風板上的金屬片如圖1所示。線棒絕緣受損如圖2所示。

圖1 擋風板上的金屬片

圖2 線棒絕緣受損

現場檢查發現第325 槽所在位置齒部對應擋風板內有金屬片散落，取下此處擋風板，發現該槽右側鐵芯靠近線棒側階梯齒只剩余4片，呈松動狀態，且下齒壓板壓指偏離階梯齒中心，線棒右側表面絕緣損壞較嚴重。針對以上情況檢修人員進行全面檢查，發現2號發電機定子存在以下問題。

一是將2號發電機定子第325槽上層線棒取出后發現，取出線棒位于定子下端部左側階梯齒異常處絕緣有磨損現象，該磨損部位在線棒下端左側靠近鐵芯內圓處。磨損深度約2mm，長度約40mm。線棒受損部位如圖3所示。

圖3 線棒受損部位

二是第325 槽上層線棒取出后，檢查該槽下部左側鐵芯階梯齒剩余的4 片階梯齒沖片，用手觸摸后，有1 片掉落，斷裂部位在下層線棒斷面處，階梯齒沖片斷裂部位如圖4所示。未發現該處下層線棒表面絕緣有異?，F象。從階梯齒下部向上觀察，階梯齒齒部斷裂處至軛部下表面無異常。

圖4 階梯齒沖片斷裂部位

三是2 號發電機定子鐵芯拉緊螺桿蝶簧及心螺桿部分均有不同程度的松動現象，未達設計把緊力矩。

四是取下定子下端全部擋風板，查閱該水電站《水輪發電機安裝說明書》中要求壓指中心與鐵芯齒部中心線偏差不大于2mm，發現共有22 槽下端壓指不同程度偏離齒中心大于2mm的現象。定子鐵芯壓指偏移齒中心如圖5所示，共有34 槽下端部沖片表面變色、片間有不同程度松動、電腐蝕現象。

圖5 定子鐵芯壓指偏移齒中心

3 原因分析

3.1 直接原因

從現場檢查情況發現沖片發生斷裂的部位，定子壓指嚴重偏離沖片齒槽中心處，造成一側階梯片底部缺少有效支撐。機組運行時，定子鐵芯本身存在一定的震動，但因為2 號發電機定子鐵芯整體松動，使震動幅值增加，進而引起沖片齒部劇烈震動，發生疲勞斷裂并逐步脫落，相鄰部位的上層線棒側面被脫落的沖片劃傷。

3.2 間接原因

3.2.1 定子鐵芯拉緊螺桿、穿芯螺桿松動

一是發電機定子安裝時沖片疊壓系數偏低，機組長期運行后，因震動導致沖片間的間隙消除及片間漆膜收縮，使螺桿拉緊力降低。

二是安裝時未按正確的預緊力矩進行鐵芯預緊。

三是機組檢修時，未再次對螺桿進行檢查并緊固。

3.2.2 定子下端部壓指偏離齒中心

一是機組運行時，定子鐵芯在熱的作用下會產生徑向變形，同時鐵芯受電磁扭矩影響，產生微量切向位移變形，但上述變形不會造成壓指較大偏移。

二是定子安裝時只考慮了其相互間的絕對弦長，沒有考慮相對位置精度，造成部分壓指偏心。

3.2.3 定子下端部分階梯片松動

一是拉緊螺桿松動，定子鐵芯整體預緊力不足。

二是壓指偏心未起到對鐵芯的有效支撐作用，使鐵芯無法有效壓緊。

三是壓指安裝時沒有保證內側較外側略高的要求，使得齒部沒有壓緊。

4 處理及防范措施

4.1 定子鐵芯拉緊螺桿、穿心螺桿松動處理

按照設計力矩值對稱對定子鐵芯拉緊螺桿、穿芯螺桿進行緊固。

4.2 定子鐵芯下端部分沖片松動處理

一是使用高壓帶電清洗劑徹底清洗定子下端階梯片表面的油污。二是用緊量刀片檢查階梯片的松動程度，并做標記。三是沖片間隙出現小于0.5mm、無法塞入絕緣片的情況時，可在階梯片表面涂刷絕緣膠進行黏接。四是沖片間隙在0.5mm 左右時，將0.5mm 厚的絕緣板裁剪成與齒部一致的形狀，上下兩面打毛，刷膠后塞入沖片間。五是沖片間隙在0.5mm 以上時，可以根據實際情況，修磨1mm 厚的絕緣板至合適厚度，裁剪成與齒部一致的形狀，上下兩面打毛，刷膠后塞入沖片間。

4.3 定子鐵芯下端部沖片斷裂處處理

一是將定子鐵芯斷齒部位殘留的沖片徹底清除，清除時注意不要傷及下層線棒及齒部另一半沖片，同時檢查鐵心軛部松動情況。二是使用高壓帶電清洗劑徹底清洗定子損傷部位。三是使用電腐蝕方式清理斷齒處的毛刺，避免齒片粘連。四是處理完成部位涂刷絕緣膠，為加速固化，根據現場溫度情況可適當加熱。五是分兩次對鐵心進行整體打緊。打緊方式及檢查標準按發電機廠家圖紙設計要求進行。六是為方便監測因鐵心受損部位周圍溫度變化情況，在進行孔洞封堵時，在沖片斷裂處埋設了溫度計（RTD）。

4.4 定子鐵芯下端部分壓指偏離齒中心處理

一是將偏心大于5mm的部分加裝輔助支撐。選用10～12mm 厚的不銹鋼板制作成和壓指形狀相似的模塊，周圍打磨光滑，與壓指齊平進行焊接，現場根據壓指偏向開坡口，焊接坡口靠著壓指側。焊接焊縫需要挫磨光滑，不能有尖角，焊接時需要保護好線圈。加裝輔助支撐的地方進行標記，將擋風板的齒部剪去，方便使用內窺鏡觀察。

二是對階梯齒中間立縫進行環氧絕緣雙面板刷膠塞緊。

三是進行EL-CID 鐵損試驗，對發電機定子鐵芯片間絕緣進行檢測，并與處理前的試驗數據進行對比，2號發電機定子鐵芯下端部沖片松動斷裂處理前后EL-CID鐵損試驗數據對比如表2所示。

表2 2 號發電機斷裂處理前后EL-CID 鐵損試驗數據(單位：mA)

由表2可知，處理前大部分試驗數據超標，處理后，試驗數據明顯變好，說明該處理方法具有明顯效果，能夠很好地重新建立起片間絕緣。數據合格后進行上層線棒更換工作。并對2 號發電機定子繞組重新進行了整體耐壓試驗。線棒更換和端部槽楔綁扎工藝按制造廠提供成熟工藝完成。

5 結語

2 號機組經過2022年1～8月的運行檢驗后，運行監測數據良好，運行指標優良、穩定可靠。驗證了本文研究的大型水輪發電機定子鐵芯沖片松動、斷裂的處理方法具有良好的效果，能夠保障水力發電機組安全穩定運行。