發電機定子硅鋼片滑出原因分析及處理

李德紅

（1.武漢大學，湖北 武漢 430072；2.緊水灘水力發電廠，浙江 麗水 323000）

1 工程概況

緊水灘水電站總裝機容量300 MW，共6臺水輪發電機組，單機容量為50 MW，機組于1986年～1988年陸續投產發電。發電機的型號為SF-K50-30/6400，定子鐵心外徑6 400 mm，內徑5 760 mm，高度1 500 mm。定子鐵心與機座采用鋼性結構連接，9塊齒壓板連接，108根M42拉緊螺桿，54根定位筋。鐵心整圓由27張扇形硅鋼片疊裝而成，硅鋼片厚0.5 mm，上、下端與盒形壓齒鉚接的墊片厚0.8 mm。鐵心共有324槽，26層通風槽將鐵心分為27疊段，通風槽高10 mm，通風槽鋼為工字形。發電機通風方式為雙路徑向封閉自循環通過系統，轉子無風扇結構。

2 發電機定子故障的情況

2.1 6號機定子故障

2005年1月19日，緊水灘水電站6號發電機在停機過程中發生定子接地故障，經查故障點為B相下層分支31號槽線棒接地。隨后在發電機大修解體檢查中發現在31至42槽間的下端第1片硅鋼片（除0.8 mm墊片）向內滑出，31槽滑出7 mm，42槽滑出2 mm。拔出線棒在31槽內硅鋼片的一個角滑入線槽，硅鋼片滑出割破31號槽下層線棒絕緣層，引起B相接地故障。

2009年9月8日，用內窺鏡對6號機定子鐵心進行檢查。定子原來處理過的31～43槽硅鋼片正常，無明顯滑出現象。319～19槽硅鋼片存在明顯的滑出現象，其中最為明顯為324、18、19槽的硅鋼片，滑出長度2～3 mm。檢查鐵心外側靠近鴿尾筋處，發現硅鋼片的鴿尾槽角邊在鴿尾筋側彎曲變形。

2.2 2號機定子故障

2009年6月8日，2號發電機在開機過程中發生定子接地故障，經檢查故障點B相上分支150號槽下層線棒下端部接地。隨后機組大修中解體檢查，發現在139至151槽間的下端第一片硅鋼片向內滑出，滑出長度約6 mm，硅鋼片滑出割破150號槽下層線棒絕緣層，引起B相接地故障。同時發現其他部位定子下端第一片硅鋼片也存在向內少量滑出，在152至181槽間滑出約1.5～2 mm；在231至242槽間滑出約0.5～0.8 mm；在1至43槽間滑出約1～2 mm；在51～110槽間滑出約0.5～1 mm。

檢查鐵心后面靠近鴿尾筋處，發現硅鋼片的鴿尾槽角邊在鴿尾筋側彎曲，對此分析為硅鋼片向內滑動時，角邊被鴿尾筋擋住，硅鋼片向內滑動力較大，硅鋼片的鴿尾槽角邊受壓失穩彎曲變形。

2.3 其他機組定子鐵心情況

2009年底，對1、3、4、5號機定子鐵心進行檢查。 發現1號機定子鐵心有3處硅鋼片滑出現象，向內滑出約1～1.5 mm。4號機定子鐵心有2處最下端5～6片硅鋼片不整齊，有錯位現象，錯位約1 mm，發現在鐵心67～91槽下端第一片硅鋼片滑移方向與其他相反，整片往外側滑移，滑移達4～5 mm。35號機定子鐵心檢查未發現異常情況。

3 定子鐵心硅鋼片滑出原因分析

3.1 鐵心硅鋼片受力分析

從定子鐵心硅鋼片滑出現象看，發生在鐵心下端第1片硅鋼片 （不算0.8 mm墊片）處，大部分向內滑出，只有4號機定子有一處向外滑出，滑出處硅鋼片的鴿尾槽角邊在鴿尾筋側彎曲變形。發電機鐵心在工作狀態，其受力較復雜，包括溫度升降的熱脹冷縮力、鐵心壓緊的摩擦力、定位筋與鴿尾槽的間的阻擋力、電磁力、振動產生的力等。硅鋼片滑出必須克服摩擦力、鴿尾筋的阻擋力和切割線棒絕緣的力，此力要非常大。

3.2 定子鐵心溫度分析

3.2.1 定子鐵心通風與溫度分析

發電機通風方式為雙路徑向封閉自循環通過系統，發電機原設計在上機架和下機架上設計有上擋風板和下擋風板，由于機組安裝時各種原因，發電機并沒有安裝下擋風板。根據機組投產初的 《發電機通風及溫升試驗報告》，測量了鐵心通風道的風速和鐵心各疊段尾部溫度，如圖1所示，發現發電機鐵心風道的風速存在兩個特點：一是中間段風速最高，上端風速略低，下端風速最低；二是曲線的各峰值正好對應著轉子磁軛風道，而中間最高的峰值向上端偏移。說明定、轉子間隙上端安裝了上擋風板，上端的風損小；下端沒有安裝下擋風板，下端風損大，使上端比下端的風速、風壓大。從溫度曲線看，發電機定子鐵心溫度是個不均勻的溫度場，呈現兩端高，中間低的現象，鐵心溫度與鐵心通風道的風速有關。

3.2.2 鐵心端部溫度測量分析

由于原埋設的鐵心測溫裝置離鐵心上、下端有一定距離，不能反應鐵心上、下端頭的溫度，特別是不能反應硅鋼片滑出位置鐵心溫度。2009年7月，對緊水灘水電站2號發電機大修線棒處理中，在鐵心第140槽上、下端埋入熱電耦，測量鐵心上、下端部溫度的測試。測量空載和帶符合試驗測量鐵心端部溫度如表1所示。

圖1 發電機鐵心風速及溫度對比曲線

表1 發電機鐵心溫度

由試驗數據可知，鐵心下端溫度比上端溫度高，且發電機額定負荷時，溫差最大達到19.80℃。加減勵磁時鐵心下端的溫度上升非常快，盒形壓指的溫度比鐵心的溫度高11℃，定子的盒形壓齒為碳鋼，導磁較好，轉子磁極在此處的漏磁較大，盒形壓齒產生的渦流的，發熱量大。

3.2.3 產生鐵心溫差大的原因分析

（1）鐵心上、下端溫差大，說明上、下端通風效果差異大。下端沒有安裝下擋風板，下端風損大，是一主要原因。

（2）自從電站AGC調節方式投運后，發電機的開停機次數大幅增加，年平均開機次數由原來的400次猛增到1 000多次，其中6號發電機最多開機次數為2005年的1 760次。頻繁的開停機制動器加閘制動產生了大量的粉塵。檢查機組定子轉子通風槽，發現轉子磁軛內側通風槽入口被粉塵封堵嚴重，制動器在轉子下面，因此轉子下部通風槽入口封堵更嚴重，導致通風不暢。

（3）在定子鐵心上、下端，只靠盒形牙齒的通孔通風，其他被線棒固定綁扎材料擋住，因此鐵心上、下端通風散熱效果差。

3.4 鐵心壓緊度檢查

2010年1月，在6號機大修中，對該定子鐵心拉緊螺桿進行抽查，判斷鐵心是否松動，檢查采用松開拉緊螺桿上端螺帽的方法，用百分表檢測拉緊螺桿的伸長度變化，核對伸長值是否符合設計要求。抽查6根拉緊螺桿，分別位于硅鋼片滑出位置和未出現滑出位置。比較6只螺桿的測量數據，發現出現鐵心硅鋼片滑出部位的螺桿伸長值相對較小，而未出現滑出部位的螺桿伸長值相對較大，如表2所示。從數據看硅鋼片滑出與鐵心松動無關。

表2 鐵心拉緊螺桿伸長量檢查數據

3.5 綜合分析

由于緊水灘水電站發電機下端沒有安裝下擋風板，下端風損大，加上鐵心上、下端通風差，導致中間段風速最高，上端風速略低，下端風速最低，使鐵心各部散熱不均勻，鐵心呈現中部溫度低、上端溫度高、下端溫度更高的現象。機組運行時鐵心各部溫度不均勻，產生不均勻熱脹冷縮應力，鐵心下端溫差最大，熱脹冷縮應力差也最大。開機后鐵心溫度上升，鐵心下端溫度上升相對快，鐵心下端與鐵心上部及定子機座存在溫差，開始徑向和周向熱脹。下端第1片硅鋼片與墊片受壓指的約束，徑向熱脹受限，以周向熱脹并局部向下變形為主；而第2片以上硅鋼片周向熱脹變形受限，以徑向熱脹為主，造成第1片與第2片硅鋼片相對滑動。停機后鐵心溫度下降，下端溫度降幅大向內收縮，下端第1片硅鋼片受上部硅鋼片收縮帶動向內，而墊片受壓指限制，造成下端第1片硅鋼片與墊片相對滑動。電站AGC投運后，機組頻繁啟停，鐵心熱脹冷縮應力變化更頻繁。下端第1片硅鋼片交變熱應力作用下向內滑移，克服摩擦力、鴿尾筋的阻擋力，滑出割破線棒絕緣，導致線棒接地故障。

4 處理情況

4.1 硅鋼片滑出處理

對2號機和6號機進行處理時，對硅鋼片滑出引起接地區域的線棒進行更換，對硅鋼片滑出量較大，推算已割破墊條并開始割損線棒絕緣層的線棒也進行更換。對線槽進行處理，拆出舊線棒后對硅鋼片滑入槽內部分進行切除、磨平，使槽位平整，清掃干凈后涂上絕緣漆。對滑出區域底層幾片硅鋼片進行輔助加固，用不銹鋼制作了專用的止動拉勾，鉤住硅鋼片前端，拉勾焊接固定在盒形壓齒內，增加硅鋼片徑向阻力。

4.2 加裝下擋風板

重新加裝下檔風板，下擋風板通過調整螺桿固定在下機架和基礎上，主要材料為TM-199間苯型樹脂，下擋風與定子間靠耐熱橡膠板密封，耐熱橡膠板綁扎在下擋風，以保證風道密封。

4.3 定期清掃檢查

每年發電機定期檢修中，對定子、轉子的通風溝進行全面檢查清掃，特別是轉子支架內的進風槽口清掃，保證風道通暢。定期對1～6號機發電機定子進行檢查，通過內窺鏡檢查下層硅鋼片，拍照測算比對，分析硅鋼片滑移變化情況。

5 處理后效果

5.1 定子下部通風改善

發電機下檔風板未安裝時，空氣間隙的漏風比較大，大部分直接回到轉子，漏風向下在定子下部風道形成風簾，影響空冷器出口冷風回流到轉子。發電機下檔風板重新加裝后，空載開機試驗，觀察定子下部通風情況，與其它機組比較，空冷器出口冷風通過定子下部風道回到轉子的風量明顯增大。

5.2 處理后鐵心后側紅外線測溫

緊站6號機大修后運行試驗，帶負荷運行20 h后，停機10 min內對部分鐵心后側進行了紅外線測溫 （見表3），儀器為紅外線點溫儀。同時采用同樣的方法對緊站2號機鐵心后側進行了紅外線測溫（見表4），便于比較。6號機、2號機鐵心紅外測溫數據如下，考慮到兩臺機測量時環境溫差為6℃，折算后溫度基本相當。從數據看2號機鐵心上、下兩端的溫度高于中部鐵心的溫度，而下端的溫度比上端要高。對比6號機加裝下擋風板后下端的溫度比上端要低。

5.3 與其他機組比較

表5為1月～8月1、3、4、6號機組定子鐵心溫升對比，6號機組于2010年3月增加下擋風板，由表中數據分析可知，6號發電機定子下部安裝擋風板后，鐵心下部溫度上升幅度明顯小于鐵心上部和中部。而1、3、4號機鐵心上、中、下部溫度上升幅度相近，還是下部上升偏大，說明6號發電機定子下部鐵心最高運行溫度下降明顯。

表3 6號機定子鐵心紅外測溫數據 ℃

表4 2號機定子鐵心紅外測溫數據 ℃

5.4 定子硅鋼片檢查

緊水灘電站6號運行半年后，檢查發電機鐵心下端部，硅鋼片未發現明顯的繼續滑出趨勢，由于時間短還需進一步觀察。

表5 2010年1、3、4、6號機組定子鐵心溫升對比 ℃

6 結 語

緊水灘水電站發電機定子硅鋼片徑向滑出原因比較復雜，影響因素應該是多方面的，分析可能不全面。現階段通過加裝下擋風板、加裝專用的止動拉勾、加強定轉子清掃力度等手段，從溫度來看取得了較好的效果，硅鋼片是否繼續滑出還需進一步驗證。另外盒形壓齒發熱、鐵心端部通風差等問題必須通過技術改造來解決。