趙貴前

（國網(wǎng)新源建設(shè)公司，北京市 100053）

大型抽水蓄能機組定子繞組固定技術(shù)與狀態(tài)評價的分析

趙貴前

（國網(wǎng)新源建設(shè)公司，北京市 100053）

大型抽水蓄能發(fā)電電動機定子繞組固定采用了彈性固定工藝，本文總結(jié)了多種彈性固定系統(tǒng)，列舉了事故案例，分析了定子繞組固定系統(tǒng)狀態(tài)評價的方法，供大型抽水蓄能發(fā)電機定子繞組固定系統(tǒng)設(shè)計和運行維護人員參考借鑒。

蓄能機組; 定子繞組; 彈性固定; 狀態(tài)評價

0 引言

大型抽水蓄能機組發(fā)電電動機定子繞組都采用云母體系結(jié)構(gòu)絕緣，一般選用粉云母為本體，環(huán)氧樹脂做膠粘劑，無堿玻璃布作為補強材料。無論多么好的絕緣結(jié)構(gòu)，如果繞組固定不好，線棒松動，發(fā)電電動機的可靠性和預(yù)期壽命都得不到保證。大量事實表明，在發(fā)電電動機運行的過程中，定子繞組線棒失效不是由絕緣的電氣問題所致，而是由絕緣受到機械損傷引起的，這種機械損傷主要是由于槽內(nèi)線棒固定松動所致。因此，高質(zhì)量的定子繞組絕緣系統(tǒng)本身是保證發(fā)電電動機具有良好穩(wěn)定性的重要因素，而繞組固定系統(tǒng)也是實現(xiàn)發(fā)電電動機運行穩(wěn)定的重要因素。

1 大型抽水蓄能機組定子繞組固定系統(tǒng)的要求及型式

1.1 定子繞組固定系統(tǒng)的設(shè)計要求

定子繞組固定系統(tǒng)由鐵芯槽內(nèi)線棒直線段區(qū)域固定系統(tǒng)和出槽線棒端部區(qū)域固定系統(tǒng)兩部分組成。

定子繞組固定系統(tǒng)應(yīng)達到的基本要求有：①在整個發(fā)電電動機壽命期內(nèi)固定有效，不出現(xiàn)線棒松動，甚至不用定期維護，重新楔緊；②承受正常運行( 包括變頻和“背靠背”啟動)時的機械和電磁等所有振動力；③承受突然短路或缺相運行（瞬間高電流）產(chǎn)生的力；④承受至少達到定子繞組耐熱等級相應(yīng)的熱應(yīng)力；⑤適應(yīng)來自負荷循環(huán)的熱運動；⑥保證線棒表面到鐵芯槽壁良好的熱傳遞；⑦線棒表面與鐵芯槽壁之間具有一定的電氣接觸而保持良好導(dǎo)電性；⑧安裝時的合理機械應(yīng)力范圍下可保證線棒絕緣不受損傷；⑨避免由于振動或熱運動導(dǎo)致單根線棒固定部件移動(例如：頂部或側(cè)面彈性波紋板、墊條、槽楔等滑動)；⑩能夠?qū)C組運行時軸承油霧（或甩出的油）具有足夠的化學(xué)耐受性；k能夠適應(yīng)并承受地下廠房濕度和運行中產(chǎn)生臭氧等環(huán)境不利因素影響下對其絕緣性能的需求。

1.2 定子繞組槽內(nèi)線棒直線段固定型式

目前大型抽水蓄能發(fā)電電動機定子繞組槽內(nèi)線棒直線段固定型式都采用了彈性固定工藝型式，不同的發(fā)電機制造廠，對于彈性固定工藝型式不盡相同，總結(jié)歸納一般不外乎如下三種：①純使用半導(dǎo)體硅膠作為填充和固定材料的定子繞組固定系統(tǒng)；②使用波紋板的定子繞組固定系統(tǒng)；③波紋板和半導(dǎo)體硅膠相結(jié)合的定子繞組固定系統(tǒng)。

1.2.1 純使用半導(dǎo)體硅膠作為填充材料的線棒固定系統(tǒng)

純使用半導(dǎo)體硅膠作為填充和固定材料的槽內(nèi)線棒固定系統(tǒng)可分為基本型和改進型。

基本型原理是在槽底注入半導(dǎo)體硅膠，放入下層線棒，再在下層線棒窄邊注入半導(dǎo)體硅膠，放入層間墊條，再在層間墊條上注半導(dǎo)體硅膠，放入上層線棒，將特殊設(shè)計的槽楔塊放入，通過槽楔上面的注膠孔再注入半導(dǎo)體硅膠，其固定原理結(jié)構(gòu)見圖1。這種型式的固定，半導(dǎo)體硅膠和線棒固定在槽內(nèi)后，線棒表面和硅膠之間及硅膠和槽壁之間粘接牢固,能確保在整個鐵芯長度上線棒表面與槽壁具有良好的電氣接觸。但存在兩個致命缺陷，一是注入的半導(dǎo)體硅膠量不好掌握，二是上層線棒依靠槽楔下面的半導(dǎo)體硅膠彈性壓緊，達不到理想效果，往往造成上層線棒松動。

改進型只是針對由于受通風(fēng)槽的影響，基本型注膠量不夠而做了改進的“連續(xù)封閉槽壁”安裝方法。這種封閉槽壁是在通風(fēng)溝里裝一個特制的U型件，這樣大大增加了注入的半導(dǎo)體硅膠量，而無阻塞通風(fēng)溝的風(fēng)險，其固定原理結(jié)構(gòu)見圖2。采用這種方法，半導(dǎo)體硅膠的覆蓋率可以達到80%,但這種設(shè)計使線棒表面在通風(fēng)溝內(nèi)不會直接接觸氣流，冷卻效果稍微差些。然而由于槽楔安裝固定工藝不變，上層線棒依然存在固定不實而松動的可能。

圖1 基本型純使用半導(dǎo)體硅膠作為填充材料的線棒固定原理結(jié)構(gòu)圖

圖2 改進型純使用半導(dǎo)體硅膠作為填充材料的線棒固定原理結(jié)構(gòu)圖

1.2.2 使用波紋板的定子繞組固定系統(tǒng)

使用波紋板的定子繞組固定系統(tǒng)主要有兩種，一種是槽楔與上層線棒之間（頂部）使用波紋板，見圖3“使用填充材料和頂部波紋板固定線棒的結(jié)構(gòu)圖”；另一種是槽內(nèi)線棒的側(cè)面（單側(cè)）使用波紋板，同時槽楔與上層線棒（頂部）使用波紋板，見圖4“使用頂部和側(cè)面波紋板固定線棒的結(jié)構(gòu)圖”。波紋板的伸縮自動補償機械和熱應(yīng)力產(chǎn)生的變形，以保持線棒處在緊固狀態(tài)。槽楔下安裝波紋板保證了線棒徑向的緊固，槽側(cè)加裝波紋板防止了線棒在切向松動，使得線棒更加穩(wěn)固。

這種固定系統(tǒng)對彈簧波紋板的材質(zhì)要求是很高的，它要求波紋板在長期受機械與熱應(yīng)力作用下保持恒久的彈性。對于油霧嚴重的機組，要考慮波紋板的材質(zhì)是否會因油的存在而失去“彈性”,油還會成為線圈和鐵芯相對運行的潤滑劑，造成波紋板滑動，使得波紋板本身的玻璃纖維磨損線棒。使用波紋板的定子繞組固定系統(tǒng)在國內(nèi)外大型發(fā)電機定子中多有采用，應(yīng)用的時間較長，技術(shù)相對可靠。

圖3 使用填充材料和頂部波紋板固定線棒的結(jié)構(gòu)圖

圖4 使用頂部和側(cè)面波紋板固定線棒的結(jié)構(gòu)圖

1.2.3 波紋板和半導(dǎo)體膠相結(jié)合的定子繞組固定系統(tǒng)

波紋板和半導(dǎo)體硅膠相結(jié)合的定子繞組固定系統(tǒng)吸取了純半導(dǎo)體硅膠固定系統(tǒng)和波紋板固定系統(tǒng)的優(yōu)點，采用了波紋板壓緊，但在保證線棒通體與槽壁電氣接觸方式上改進了工藝，具體的做法有兩種，其一，首先將一定寬度的半導(dǎo)體紙對折，然后在對折的半導(dǎo)體紙內(nèi)利用專用設(shè)備均勻涂上具有彈性的半導(dǎo)體硅膠（或膠狀硅脂復(fù)合膠），以夾膠后的半導(dǎo)體紙作纏繞帶，均勻地纏繞在線棒直線段上（即所有與鐵芯壁接觸的部分），在膠未固化的情況下，快速放入鐵芯線槽。其二，使用專用工具，鋪好與線棒直線段長度相適應(yīng)的一定寬度的導(dǎo)體紙，然后在紙上相對線棒寬面的對應(yīng)部分均勻涂敷一定厚度的半導(dǎo)體膠，在涂好膠的包敷紙上夾好線棒，在膠未固化時放入鐵芯線槽。

波紋板和半導(dǎo)體膠相結(jié)合的定子繞組固定系統(tǒng)能有效地保證線棒在線槽內(nèi)的防暈和固定要求，線棒和鐵芯槽壁都有很好的電氣接觸，基本可以消除二者之間的間隙；由于膠固化前本身的可塑性，使得鐵芯線槽壁表面存在的機械公差得到補償，同時也可以有效地抵消由于鐵芯槽段不平在線棒外絕緣表面產(chǎn)生的局部機械應(yīng)力，這種固定系統(tǒng)由于采用了頂部彈性波紋板壓緊固定工藝，既保持了純半導(dǎo)體膠固定系統(tǒng)的特點，又彌補了純半導(dǎo)體膠彈性固定的缺陷，使得線棒固定相當(dāng)牢固。但安裝工藝復(fù)雜，需要特別的專用工具，容易操作不當(dāng)而返工。

1.3 線棒端部固定

目前大型汽輪發(fā)電機定子繞組線棒端部固定一般采用綁扎式固定結(jié)構(gòu)、壓板式固定結(jié)構(gòu)和灌注式固定結(jié)構(gòu)。大型抽水蓄能發(fā)電電動機定子線棒出槽后端部相對于汽輪發(fā)電機定子要短得多，普遍采用的是綁扎式固定結(jié)構(gòu)。端部支撐環(huán)采用非磁性金屬材料或高強度玻璃纖維板，在下層線棒與支撐環(huán)間墊一條較粗的玻璃纖維繩，用專用工具向繩子注入室溫固化的環(huán)氧樹脂絕緣膠，使之充滿玻璃纖維繩，膠固化后，下層線棒與支撐環(huán)密實無間隙，玻璃纖維繩與支撐環(huán)即成為剛體。在上、下層線棒之間用玻璃纖維繩綁扎固定，這種固定由于玻璃纖維繩在線棒的擠壓下，加之空間狹小，注膠量達不到要求，線棒端部固定并不理想。由此做了改進，事先以浸了膠的絕緣材料卷成實心圓柱體適形氈綁扎在以下幾個部位，待膠固化后即成為剛體，使線棒在徑向和軸向得到加固，分別是①下層線棒與支撐環(huán)之間部位；②在支撐環(huán)對應(yīng)的上、下層線棒之間部位；③上層線棒之間部位；④下層線棒之間部位。另外，為了防止線棒出槽口切向振動導(dǎo)致線棒松動，在線棒出槽口加裝了槽口楔。見圖5“內(nèi)圈上層線棒端部固定示意圖”和圖6“外圈下層線棒端部固定示意圖”。定子線圈上下端部固定方法是一樣的，但下端部較上端部長一些所以固定點要多，而上端部增加了匯流排的安裝固定。

2 抽水蓄能機組定子繞組線棒固定系統(tǒng)失效的案例與分析

2.1 案例基本情況

某大型抽水蓄能電廠發(fā)電電動機定子繞組線棒在鐵芯槽內(nèi)固定方式為純半導(dǎo)體硅膠彈性固定。該蓄能電廠機組抽水啟動過程中，定子80%接地保護動作。試驗確定為定子上層線棒絕緣對地擊穿，進一步檢查發(fā)現(xiàn)有十多根上層線棒窄邊層間側(cè)主絕緣磨損嚴重（見圖7），線棒兩側(cè)寬邊防暈層完好，半導(dǎo)體硅膠尚存，線棒窄邊槽楔側(cè)防暈層完好，半導(dǎo)體硅膠尚存，對應(yīng)下層線棒層間與上層線棒接觸面也有磨損（見圖8）。最嚴重部位全部是下端部出槽口層間直線段，而且上端部相對于下端部較輕。

圖5 內(nèi)圈上層線棒端部固定示意圖

圖6 外圈下層線棒端部固定示意圖

2.2 線棒磨損的原因

圖7 因松動磨損擊穿的上層線

圖8 因松動磨損的對應(yīng)下層線棒

上層線棒磨損的直接原因是固定出現(xiàn)了松動，松動的原因是線棒純半導(dǎo)體硅膠彈性固定設(shè)計和線圈端部綁扎固定設(shè)計存在一定問題。線棒直線段壓緊固定主要靠槽楔發(fā)揮作用，端部要靠端箍環(huán)固定，相對于下層線棒，上層線棒的固定要薄弱些，因為它位于鐵芯槽口直線段直接受槽楔壓緊，對于純半導(dǎo)體彈性固定工藝來說，很難達到壓緊的要求，而且其端部的綁扎并沒有與下層線棒綁扎過渡到端箍環(huán)上。在多種因素綜合作用下，對于上層線棒朝向?qū)娱g的窄邊，由于硅膠量不夠，存在大量空隙，對線棒的支撐力度不足，電氣接觸也不夠，這些“少量”的硅膠不斷地受到拉伸與壓縮，隨著時間的推移積累，上層線棒層間窄邊表面防暈層不斷地被破壞，主絕緣直接與層間墊條撞擊摩擦，并在強烈電暈放電“推波助瀾”下，主絕緣層研磨粉化，窄邊主絕緣越來越薄。繞組上端部上下層間襯墊了間隔玻璃纖維繩，限制了上端部的上下層間徑向相對運動，減輕了磨損，而下端部無此結(jié)構(gòu)，所以下端部繞組承受的激振力更大些，接近下端部的直線段層間窄邊主絕緣磨損嚴重而先行擊穿。

2.3 案例總結(jié)

定子繞組固定設(shè)計和制造方面的問題極易導(dǎo)致線棒固定松動。事實表明這種純半導(dǎo)體硅膠彈性固定，更容易導(dǎo)致上層線棒首先松動。純半導(dǎo)體硅膠固定設(shè)計工藝不能保證槽楔發(fā)揮有效的固定作用，加之線棒端部固定設(shè)計也不理想，使得上層線棒未被緊緊的固定在線槽內(nèi)而松動。

3 抽水蓄能機組定子繞組固定系統(tǒng)的狀態(tài)評價

線棒松動是引發(fā)發(fā)電電動機定子繞組失效最常見的原因，是否松動就是對定子繞組固定系統(tǒng)的狀態(tài)評價，怎樣去評價呢？松動會有很多外在的表現(xiàn)，要注意在運行中的巡視，檢修中的檢查與試驗，評價依據(jù)就在于此。 線棒松動最初的表現(xiàn)就是槽楔或端部固定塊松動，這些固定件的松動可以導(dǎo)致單根線棒并逐漸引起大多數(shù)定子繞組松動，伴隨著線棒防暈層的磨損，出現(xiàn)了電暈放電，臭氧產(chǎn)生，隨著時間延長主絕緣進一步磨損，有粉末（或油泥）會落在線棒端部或出槽口。在發(fā)電電動機定子繞組直流耐壓和泄漏電流測試、定子槽部線圈防暈層對地電位、起暈試驗等發(fā)電機預(yù)防性試驗中也會有所反應(yīng),相應(yīng)表現(xiàn)在泄漏電流增大、對地電位超標(biāo)和發(fā)生明顯電暈等。

3.1 槽楔狀態(tài)檢查

松動的槽楔可以導(dǎo)致單根線棒并逐漸引起大多數(shù)定子繞組松動。通過槽楔狀態(tài)檢查，可以有效評價定子繞組固定系統(tǒng)的狀態(tài)。

檢查不同槽楔的緊度是可行的，這種檢查需要發(fā)電電動機停機，測試時至少需要移去一個轉(zhuǎn)子磁極。測試結(jié)果的分析要區(qū)分繞組固定系統(tǒng)型式，對于純半導(dǎo)體硅膠固定系統(tǒng)開展槽楔緊固程度測試沒有意義，對于帶有彈性波紋板的固定系統(tǒng)，檢查線棒緊固程度的方法是檢查槽楔的徑向張力，此方法通常需移去轉(zhuǎn)子或者至少一個磁極。測試結(jié)果的分析正確與否取決于經(jīng)驗的多寡，因此測試必須由訓(xùn)練有素的人員執(zhí)行。為了確保所有線棒槽內(nèi)緊固有效可靠，測試必須定期進行。

3.2 在線監(jiān)測裝置進行分析評價

通過在線監(jiān)測裝置監(jiān)測線棒的振動、鐵芯結(jié)構(gòu)噪聲、局部放電、臭氧等可以評價線棒的固定狀態(tài)。

定子繞組振動測量或松動部件的結(jié)構(gòu)噪聲監(jiān)測(安裝在定子鐵芯上的傳感器)線棒松動也是可以實現(xiàn)的，為了監(jiān)測全部繞組，原則上應(yīng)該每個線棒上安裝一個傳感器，即便用此方法在早期也不可能監(jiān)測到每個線棒的松動槽楔。

在線局放監(jiān)測裝置難以區(qū)分線棒絕緣本身缺陷局部放電和線棒表面電暈放電，特別是表面電暈放電的種類是線棒對線棒電暈放電還是線棒的槽放電等電暈活動，對于運行單位人員來說做出準確的判斷太難了。

臭氧監(jiān)測線棒松動的局限在于，僅僅能監(jiān)測到可能存在松動，單根或某些具體線棒的損壞幾乎無法證實。

目前單一的永久在線監(jiān)測定子線棒槽內(nèi)固定狀態(tài)雖然是可行的，但早期松動都無法實現(xiàn)檢測。

3.3 定期檢查進行分析評價

理想地講，松動的定子繞組在鐵芯槽內(nèi)部分和端部都可以通過仔細目測發(fā)現(xiàn)，例如可以通過由于振動磨損產(chǎn)生的粉末（或油泥）沉積來確認。只要維護人員達到一定專業(yè)水平，定期檢查是可以發(fā)現(xiàn)問題的。通過已經(jīng)有磨損的痕跡即使是表面上的，也可以確定絕緣系統(tǒng)由松動磨損而被破壞。

專業(yè)的目測檢查和大量的離線預(yù)防性試驗測試仍然是早期發(fā)現(xiàn)繞組絕緣系統(tǒng)問題的有效方法，例如線棒緊度檢查、繞組端部振動檢測、松動的槽楔檢查、定子繞組直流耐壓和泄漏電流測試、定子槽部線圈防暈層對地電位測量、起暈試驗等。

3.4 紫外線攝像進行分析評價

利用紫外線攝像開展定子繞組固定狀態(tài)評價也是很有效的方法，但必須停機拍攝。受現(xiàn)場空間限制，測試時至少需要移去一個轉(zhuǎn)子磁極。如果安全措施達不到要求，測試時則需要將定子吊出。

紫外線攝像檢測時應(yīng)分相加壓，如果紫外線攝像機沒有觀察到定子繞組表面的電暈放電，這些被測線棒固定狀態(tài)就通過了檢查。反之，則要在所有檢查出電暈的線棒上進行黑暗試驗。試驗時，施加1.1倍額定交流電壓，觀察人應(yīng)在黑暗的環(huán)境下適應(yīng)15min后再進行肉眼觀察，由于紫外線攝像機比肉眼更加靈敏，為了達到效果，應(yīng)人工目測的同時用紫外線攝像機進行攝像。電暈起始電壓隨著溫度的上升而降低，紫外攝像試驗或黑暗起暈試驗，要根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境溫度適當(dāng)調(diào)整試驗電壓，以補償試驗在停機狀態(tài)溫度而不是在機組運行工作溫度下的誤差。

4 結(jié)論

大型抽水蓄能機組定子繞組固定系統(tǒng)可靠性的基本要求是防止由于正常運行、突然短路(瞬態(tài)高電流)、機械振動或熱載荷應(yīng)力產(chǎn)生的機械力造成線棒絕緣損壞。良好的設(shè)計是保證定子繞組固定系統(tǒng)狀態(tài)可靠的先決條件，投運后的狀態(tài)檢查評價為檢修維護提供決策依據(jù)。對于高轉(zhuǎn)速大型抽水蓄能機組定子繞組固定系統(tǒng)采用波紋板彈性固定或半導(dǎo)體硅膠結(jié)合波紋板固定都是很有效的設(shè)計。

趙貴前（1971—），男，高級工程師，主要研究方向：水電設(shè)備技術(shù)與物資管理。893039742@qq.com

Analysis of Stator Winding Fixation Techniques and Its Condition Evaluation for Large Pump-Storage Units

Zhao Guiqian
(State Grid Xinyuan Construction Company Limited Xicheng District, Beijing 100053, China)

Elastic wingding fixation techniques have been used in stator winding support systems for large pump-storage units. This paper sums up some form of elastic winding fi xation techniques, cites one generator accident, analysis the condition evaluation of stator winding support systems . It have certain reference value for the designer and maintainer.

pump-storage units; stator winding ; elastic fi xation;condition evaluation