摘要：發(fā)電機性能的重要影響因素是定子鐵芯松動問題，因此對于定子鐵芯出現(xiàn)的故障進行分析，從設(shè)計到運行全流程加以研究并提出有針對性的解決措施，對于解決故障，排除隱患具有重要意義。文章圍繞水輪發(fā)電機定子鐵芯變形以及故障處理的措施展開論述，結(jié)合實際案例進行系統(tǒng)的闡述。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機；定子鐵芯；變形故障；故障處理措施；定子改造工程 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM312 文章編號：1009-2374（2017）06-0167-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.084

廣西水利電力建設(shè)集團組織施工的梧州京南電站發(fā)電機定子改造工程，主要針對發(fā)電機組中定子鐵芯松動變形的情況加以改造。作為桂江流域的第五級電站，京南電站安裝的兩臺單機為34.5MW的燈泡貫流式機組。發(fā)電機為進口設(shè)備，分別出現(xiàn)過兩相短路和定子線圈對地擊穿的短路事故。經(jīng)過檢查后發(fā)現(xiàn)是定子鐵芯松動變形造成的。事后對定子鐵芯松動部分和線棒的損壞部分進行了處理，但是沒有解決根本性的問題。為了保證發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行，在對發(fā)電機定子鐵芯進行故障原因分析的基礎(chǔ)上進行了改造工程。

1 原有發(fā)電機定子鐵芯故障問題

經(jīng)過對京南電站發(fā)電機定子鐵芯存在的松動和變形問題進行了查找之后，發(fā)現(xiàn)的問題包括：原生產(chǎn)廠家在設(shè)計上存在問題，如鐵芯沖片設(shè)計的軛寬和槽深的比例有不合理的情況；定位筋上采用的固定鴿圍尾筋以及發(fā)電機定子鐵芯熱膨脹的變形缺乏預(yù)防措施的問題，鐵芯壓緊的結(jié)構(gòu)不合理的情況；背拉式拉緊螺桿對鐵芯的壓緊不利造成強度不足的情況；鐵芯沒有采用分段壓緊的情況以及內(nèi)部壓緊力不均勻的情況等。

2 原發(fā)電機出現(xiàn)定子鐵芯故障的原因

第一，京南電站的水輪發(fā)電機設(shè)計為單軸臥式結(jié)構(gòu)，與水輪機共用一根主軸，軸兩端分別通過法蘭與轉(zhuǎn)子和水輪機轉(zhuǎn)輪連接，主要由定子、轉(zhuǎn)子、組合式推力導(dǎo)軸承、冷卻套、燈泡頭等部件組成。發(fā)電機產(chǎn)生的扭矩、部分徑向力和軸向力通過水輪機管形座內(nèi)、外殼體傳遞至廠房基礎(chǔ)。

勵磁由一套靜止可控硅整流裝置提供，勵磁電流通過碳刷和滑環(huán)輸送至轉(zhuǎn)子，滑環(huán)和碳刷安裝在發(fā)電機轉(zhuǎn)子輪轂上游側(cè)。在上游側(cè)燈泡體頂部設(shè)置有垂直進出豎井，便于工作人員進入發(fā)電機內(nèi)部進行檢查和維護，動力電纜、勵磁電纜、控制和信號電纜以及冷卻水管和轉(zhuǎn)輪接力器操作油管均通過進出豎井引出。

第二，發(fā)電機在經(jīng)過長時間的運行后，由于機體的溫度的升高，使得定子鐵芯在高溫的作用下不斷膨脹變形，造成凹槽或者斷齒的情況發(fā)生。由于鐵芯和機械轉(zhuǎn)自的外徑不在共軸的狀態(tài)，使得一些氣隙相對較窄的區(qū)域出現(xiàn)了磁拉力，加劇了鐵芯部分的變形，導(dǎo)致齒壓板和沖片齒的分離。機械鐘的硅鋼片容易在機器的激烈振動下發(fā)生破碎，最終導(dǎo)致元件的凹槽形損傷。

第三，發(fā)電機械的工作使得機體的溫度升高，因此機器中的定子鐵芯出現(xiàn)了波浪形的振動，出現(xiàn)定子核心偏離和脫離的故障。

第四，機器附近的空氣中的塵埃，導(dǎo)致機器中的油液相互依附，累積在定子元件的線圈以及鐵芯部分中。隨著油霧的增加，定子元件的通風(fēng)口遭到了堵塞，使得設(shè)備無法通風(fēng)散熱。

3 原定子鐵芯結(jié)構(gòu)特點分析

定子主要由定子框架、鐵芯和繞組等部件組成。定子框架由焊接鋼環(huán)構(gòu)成，上下游側(cè)都設(shè)有焊接法蘭，框架設(shè)計具有剛性和防震結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部形成空氣流動的冷卻通道。定子分兩瓣制造，疊片和下線在制造廠內(nèi)完成，工地組合后焊接成整體，進行合縫下線。定子鐵芯采用0.5mm厚高質(zhì)量硅鋼片半搭接疊裝而成，每塊硅鋼片沖壓和磨光后，在每一面涂上絕緣漆。鐵芯采用楔形接合法，固定在定子框架上。鐵芯分層疊裝，層間疊放I形高硬度間隔棒，定子鐵芯的壓緊是在上游側(cè)采用一個鋼壓環(huán)焊接固定在定子機架上，下游側(cè)用帶壓力齒的分段端板將鐵芯均勻地壓緊，保證鐵芯齒面全周長保持均勻壓力。定子繞組為整距槽形雙層波繞組，每槽有上下兩層繞組。定子繞組為棒型線圈，每一線棒由若干根銅導(dǎo)線組成，單個導(dǎo)體由玻璃纖維絲帶絕緣，整根線棒由多層云母疊層絕緣，經(jīng)凈化處理并浸漬環(huán)氧樹脂。為防止放電，鐵芯槽內(nèi)每根線棒全長附有不溶性半導(dǎo)體護層。線棒裝入定子槽，在槽中采用硅橡膠進行固化處理，定子槽由楔形基礎(chǔ)材料封閉并用硅橡膠進行固定。定子繞組為星形連接，6個出線端，各相主引出線從垂直進出豎井引出；中性引出線引至布置在燈泡頭內(nèi)部的電流互感器，在電流互感器之后短接成中性點。

4 改造方案及改裝后的發(fā)電機定子參數(shù)以及特性

4.1 改造的具體措施

經(jīng)過對發(fā)電機定子鐵芯的勘察和研究后，技術(shù)人員提出了改造的具體措施為：整體更換定子鐵芯和線棒，計算發(fā)電機的剛度；綜合考慮定子鐵芯和線棒，改善線棒和鐵芯的溫度；綜合京南電站的水文情況，成立專業(yè)技術(shù)團隊，與技術(shù)廠家進行調(diào)研和分析，確保方案能夠順利實施。

4.2 電氣試驗

經(jīng)過改造后，采用了一系列的電氣試驗：包括繞組對機殼及繞組相互間絕緣電阻的測定；繞組在實際冷態(tài)下直流電阻的測定；穩(wěn)態(tài)短路特性及空載特性的測定；發(fā)電機繞組直流耐壓試驗及交流耐壓試驗；定子鐵芯磁化（鐵損）試驗測溫元件絕緣電阻測定；軸承絕緣電阻測定及溫度測定；軸電壓測定；定子繞組匝間絕緣介電強度試驗；轉(zhuǎn)子每個磁極交流阻抗測定；定子對地電容電流測定；定子繞組擎體起暈電壓試驗等。

4.2.1 機械特性。

第一，發(fā)電機定子及與其直接和間接連接的輔機應(yīng)能在最大飛逸轉(zhuǎn)速下運行5min而不產(chǎn)生有害變形及接頭開焊等情況。

第二，發(fā)電機定子應(yīng)從機械角度設(shè)計成能連續(xù)承受工作應(yīng)力和安全系數(shù)中規(guī)定范圍內(nèi)的應(yīng)力，發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)強度應(yīng)能承受在額定轉(zhuǎn)速及空載電壓等于105%額定電壓下。

第三，當(dāng)發(fā)生機端短路或半數(shù)磁極短路時，發(fā)電機定子應(yīng)不產(chǎn)生有害的變形和損壞軸承。發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)強度應(yīng)承受地震烈度Ⅵ度的情況下，不產(chǎn)生有害變形和造成破壞性損壞。

4.2.2 定子結(jié)構(gòu)要求。定子包括了機座、鐵芯、繞組等部件，機座的剛度應(yīng)滿足放置的位置以及起吊的方式中的受力和變形的要求，疊片采用了高導(dǎo)磁率、低損耗、冷軋薄矽鋼片；定子繞組采用星形連接，線棒的主絕緣采用真空壓力浸漬法以及其他技術(shù)，絕緣材料采用玻璃絲帶、云母板、環(huán)氧樹脂等材料，槽墊片不能使用低于F級絕緣的材料。定子繞組導(dǎo)體材料采用的是退火銅，導(dǎo)電性能良好，沒有裂片、裂紋、粗糙的斑點和尖角。所有定子的端箍均使用非磁性材料制造。

4.2.3 定子更換后的電氣主要參數(shù)。定子更換后的電氣主要參數(shù)如表1所示。

4.2.4 電氣特性。當(dāng)定子繞組接成正常工作接法時，在空載及額定電壓下，線電壓波形正弦性畸變率不超過5%。在空載額定電壓和額定轉(zhuǎn)速時，線電壓的電壓諧波因數(shù)不應(yīng)超過1.5%。發(fā)電機定子繞組應(yīng)能承受以下規(guī)定的交流50Hz工頻電壓有效值歷時1min試驗而不被擊穿。在交流耐壓前應(yīng)對定子繞組進行3倍額定電壓的直流耐壓和泄漏電流測定。試驗時按每級0.5倍額定電壓分階段升高，每階段停留1min，其泄漏電流應(yīng)不隨時間延長而增大。各相泄漏電流的差值應(yīng)不大于最小值的50%。定子單個線棒應(yīng)在1.5倍額定線電壓下不起暈；整機耐壓時，槽部和端部應(yīng)在1.1倍額定線電壓下不起暈。

4.2.5 定子溫度檢測。每臺發(fā)電機均應(yīng)配有電阻式測溫元件，供計算機溫度巡檢以及報警和跳閘用，定子繞組和鐵芯的溫度測量采用埋置檢溫計法。電阻式溫度信號探測元件均采用單支鉑電阻，在0℃時，其電阻值100±0.1Ω，每個探測元件均用4根引線接至發(fā)電機端子箱中的端子排上。測溫元件的外殼應(yīng)絕緣。導(dǎo)線應(yīng)絕緣和外套應(yīng)耐油，并具有屏蔽使電磁干擾最小。檢溫計的敏感點應(yīng)與線圈或被測表面緊密接觸，并有足夠的防護措施，以防受到冷卻介質(zhì)的影響。

5 結(jié)語

實施改造工程后，定子鐵芯的工作效率得到了提高，磁路的飽和程度得到了降低，而且鐵芯沒有再出現(xiàn)短路等情況，也沒有出現(xiàn)定子中間的縫隙不暢的情況。因此本次改造工程的效果是令人滿意的，取得了較為理想的故障處理效果。

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作者簡介：覃飛慶（1976-），男，廣西梧州人，供職于廣西梧州桂江電力有限公司，研究方向：庫區(qū)事務(wù)部電氣設(shè)備維護。

（責(zé)任編輯：小 燕）