抽水蓄能發電機定子槽楔松動原因分析及處理

周紹鴻，張　俊

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙 410004）

抽水蓄能發電機定子槽楔松動原因分析及處理

周紹鴻，張俊

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙 410004）

摘要：詳細介紹了黑麋峰抽水蓄能電廠3號、4號發電電動機定子槽楔松動情況，深入分析了可逆式電動/發電機槽楔松動原因，針對定子端部槽楔固定方式、方法進行技術改進，為大容量水力發電機定子槽楔松動處理提供參考。

關鍵詞：發電/電動機；定子槽楔；松動原因；技術改進

1　前言

黑麋峰抽水蓄能電站裝機4臺可逆式水輪/水泵式發電機組，單臺發電/電動機額定容量300/320MW（發電/電動工況），定子線圈為雙層疊繞式，共600根，線槽300槽，定子槽楔安裝結構采用帶波紋彈簧墊條的彈性槽楔緊固系統以及在槽楔端部加適型氈的輔助固定方式。2010年4臺機全部投運，運行近1年后，發電機風洞常規檢查即開始發現3號和4號機上、下端部部分槽楔有竄動現象，竄位痕跡明顯（如表1），1號和2號機上、下端部槽楔未見竄動異常。對出現端部槽楔竄動異常的線槽做位置標定、竄量標記，增加檢查頻率，逐次比較竄量，竄量呈逐漸變大趨勢發展，最嚴重部位已經頂開適型氈，嚴重影響到定子線圈及發電機組的安全運行。2013年12月對3號、4號機進行定子槽楔松動情況檢查及處理專項檢修。

表1　

2　定子槽楔松動情況

吊出發電機所有磁極（20個），進入定子膛內全面檢查。3號機上端部槽楔有竄動現象的共258槽，中間槽楔有竄縫現象的共102處，下端部槽楔有竄動現象的共216槽；4號機上端部槽楔有竄動現象的共229槽，中間槽楔有竄縫現象的共71處，下端部槽楔有竄動現象的共179槽，竄動量最大處達到43mm，2臺機上、下端部槽楔竄動普遍，中間槽楔竄動情況無規律。

3　定子槽楔松動原因分析

定子線圈在線槽內由槽楔緊固系統作為線圈的徑向固定，槽楔安裝的松緊直接關系到線圈的安全，而線圈在機組不同工況運行時受到的電氣應力、機械應力、熱應力等各種不利因素影響，又會造成槽楔的松動。通過分析筆者認為引起黑麋峰抽水蓄能電廠3號、4號發電/電動機定子槽楔松動、竄動主要有以下幾方面原因。

3.1雙向旋轉因素

由于可逆式水泵/水輪機作水輪機和水泵運行時的旋轉方向是相反的，因此電動/發電機也需按雙向運轉設計，從電氣原理上看，同步發電機本身是可以正反旋轉的，只需電源相序隨發電工況和電動工況而轉換。發電機和電動機運行時定子線圈上受到的力有轉子的電磁力和定子鐵芯的固定力，這對作用力與反作用力的方向會根據工況的不同變成相反方向，發電機工況時和常規水輪發電機一樣定子受到轉子磁力作用，受到一個與旋轉方向相同的扭矩，定子鐵芯的固定力矩為該作用力的反作用力，電動機工況定子受力方向則正好相反。線圈與槽壁間的隔離結構由主絕緣層、防暈層、半導體低阻布、導電槽襯及半導體膩子填充層組成，不同的工況線圈電磁力的方向相反，線圈與槽壁間隔離結構不斷受線圈擠壓和改變工況后壓力的釋放并反向擠壓，如此往復，材料硬化、老化、收縮等因素影響了線圈與槽壁的接觸，逐漸發展成間隙后線棒產生振動，也帶動了槽楔的竄動，槽楔的松動又會加劇線棒的振動，進入惡性循環。3號、4號發電機啟停統計表如表2：

表2　3號、4號發電/電動機年運行次數統計表

3.2制造工藝及安裝質量因素

黑麋峰抽水蓄能電廠1號發電/電動機由ALSTOM公司生產，2號、3號、4號機除了2號機線圈外全部由國內廠家生產，3號、4號機定子線圈引進和消化吸收的是法國阿爾斯通公司定子線圈制造技術，額定電壓18 kV，線圈總長3 934mm，單只線圈重約42 kg，線圈主絕緣采用少膠VPI絕緣，防暈采用一次成形防暈結構，F級絕緣，施工單位為同一家，4臺機定子下線施工工藝相同，槽內填充的層間、契下墊片采用半導體墊片，上、下層線圈嵌入前在兩側及底面包裹一層帶膠的半導體低阻布（0.11mm× 100mm），槽內固定采用槽襯固定結構，將0.13mm厚導電槽襯J1008壓緊在槽襯形成的裝置上，用刮膠板將室溫固化半導體膩子J0301均勻的刮涂在槽襯布上，將槽襯布包裹在線圈上，采用環形吊，人工輔助嵌入線槽。大型機組定子線圈裝配工藝的好壞很大程度上決定著機組的使用壽命，槽楔裝配過松，在機組運行過程中容易產生振動，長期振動導致線圈絕緣磨損，易產生放電，縮短使用壽命；槽楔裝配過緊，施工過程中易直接造成絕緣層損壞，也會縮短機組使用壽命。黑麋峰抽水蓄能電廠4臺機投運以來由于電網調度需要等因素，發電工況和抽水工況運行次數并不多，遠未達到抽水蓄能電廠設計的使用頻率，1號、2號機和3號、4號機定子槽楔松動情況現狀對比分析，線圈的制造工藝和施工質量的差異是造成3號、4號機定子槽楔松動的原因之一。

3.3功率調整幅度大、頻繁啟停因素

抽水蓄能電站在電力系統中擔任填谷調峰、調頻的作用，一般每天要啟停數次，機組啟停對定子線圈沖擊很大，此類型機組雖在設計上已有較為成熟考慮，但由于各種材料及制造工藝等因素制約，頻繁啟停仍然會對機組健康水平造成影響。發電/電動工況運行功率調整幅度要求很大，調整也很頻繁，大型機組要求有每秒鐘增減10MW負荷的能力，短時大幅度功率的調整，水力特性、機械特性、電磁力矩瞬間變化，作用在線圈上的電磁力近乎突變，產生很大沖擊，定子線圈在這類工況下運行，對線圈制造質量、安裝工藝及槽楔緊固系統要求更為嚴格。

3.4過渡過程復雜因素

抽水蓄能機組在工況轉換過程中要經歷各種復雜的水力、機械和電氣瞬態過程。在這些瞬態過程中會發生比常規水輪發電機組大得多的受力和振動，此類受力和振動對發電/電動機定子線圈有很大影響，槽楔緊固系統較常規水電應更可靠。

3.5轉子的制動方式因素

正常停機時，當轉子轉速降至60%額定轉速時，勵磁系統給轉子通入850 A左右的勵磁電流，同時合上電制動刀閘將定子繞組三相短路。此時定子繞組中將感應出10 000 A左右的電流，對轉子產生一個電磁阻力矩，使轉速很快下降，當轉速降至5%時，投入轉子風閘，使轉速馬上降為0。黑麋峰抽水蓄能電廠機組額定轉速300 r/min，實現快速停機必須使用電氣制動方式，線圈自身及線圈固定系統需耐受三相短路電流對線圈產生的很大電動力。

3.6冷卻方式及效果因素

黑麋峰抽水蓄能電廠電動/發電機采用密閉循環空冷方式，設計上電機本身的通風、冷卻系統能適應雙向旋轉工作。鐵芯由硅鋼片疊制而成,硅鋼片具有良好的導磁性,磁滯損耗小及高電阻率，定子鐵芯有4種，分別是：階梯片、通風槽片、普通片和測溫片。部分通風槽片內裝有絕緣筒，鐵芯上下都有壓板，定子鐵芯上有通風孔用于冷卻定子。定子鐵芯通過雙鴿尾定位筋與定子機座相連，鐵芯分為6大段49小段疊片，疊完一個大段壓緊一次，最終疊完后通過拉緊螺桿拉緊。36支鉑金屬RTD安裝于鐵芯槽內的上下層線棒之間,用于監視定子線圈溫度；8支熱電偶溫度傳感器(材料：康銅)安裝于鐵芯內,沿中間高度呈環狀分布,用于監視鐵芯溫度。槽楔安裝時通風槽對位是安裝重點之一，散熱不均會在繞組和鐵芯間產生熱應力及不同材質的熱脹冷縮，引起槽楔松動，槽楔竄動后擋住通風口又會進一步影響局部散熱效果。通過對3號、4號發電/電動機，發電工況和抽水工況熱穩定狀態各部位溫度監測數據的比較分析，兩種工況熱穩狀態時同部位溫度有差別，所以發電機工況和電動機工況時，定子線圈受到不等的熱應力。

3.7電動機工況啟動因素

可逆式電動/發電機作電動機運行時，不能象組合式機組那樣利用水輪機來啟動，而必須采用專門的啟動設備，SFC啟動或采用“背靠背”方式，電動機工況容量為320MW。電動機啟動時，轉子受磁場力作用，產生磁場力矩，方向同轉子的轉向一致，該磁場由接通三相交流電的定子線圈產生，轉子同時受到負載的阻力矩，方向同轉子的轉向相反，此時磁場力矩大于阻力矩，使電動機轉子的轉速由“零”增速直到轉速達到穩定，在轉子加速過程中，產生磁場力矩逐漸減小直到與阻力矩相等。電動機啟動時的磁場力矩和阻力矩相差愈大，啟動過程就愈短，反之磁場力矩和阻力矩相差愈小，就會使啟動過程延長。電動機工況啟動時，功率大，且按設計要求需要實現短時間達到額定轉速，這需要很大的起動力矩才能實現啟動成功，巨大的起動力矩也是引起線圈振動、槽楔松動需要考慮的因素。

4　端部槽楔安裝固定技術的改進

4.1端部楔塊結構改進

原來端部槽楔安裝緊固到位后，槽楔伸出鐵芯槽口10mm左右，由于端部槽楔安裝操作不方便，需要注意線圈端部防護、調整平墊片配置，端部槽楔安裝緊度較中間段槽楔往往反而偏松，雖有端部加適型氈的輔助固定方式，但在各種復雜工況下容易松動竄出，線圈沒被牢靠的固定在線槽內會有相當于二倍電源頻率的電磁力施加于線棒上，使其在槽內產生運動。改進后的槽楔比原槽楔長30mm，裝入線槽的槽楔長度不變，但伸出鐵芯槽口部位的長度變長，并在槽楔兩側設計滌綸護套玻璃絲繩綁扎止動槽口。

4.2端部槽楔固定方法改進

改進后端部槽楔安裝緊固到位后，伸出鐵芯槽口40mm，用滌綸護套玻璃絲繩逐槽按線圈和槽楔成對綁扎緊固并使所有線圈形成一個整體，增加了端部槽楔自身穩定性和整體穩定性。

4.3端部槽楔輔助固定方式改進

傳統方式為槽楔端部加適型氈的輔助固定方式，由于適型氈與槽楔接觸部位較小且剛性較差力度較小，在端部槽楔竄動力度較大時無法徹底頂住槽楔的竄動，容易出現槽楔將適型氈頂開和頂錯位情況。為配合新型端部槽楔綁扎固定方法，從單個槽楔竄動力度的有效吸收和整體竄動力度的分散考慮，以線圈表面圓周長及弧度為基準，設計新型專用玻璃鋼擋板，6根線圈為一組，共100塊，上、下端部各50塊，用滌綸護套玻璃絲繩逐槽和線圈綁扎緊固，整圈形成一個整體（見圖1~2）。

圖1　新型專用玻璃鋼擋板固定后局部實圖

圖2 新型專用玻璃鋼擋板固定后整體實圖

4.4中間段槽楔安裝

槽楔、半導體平墊、環氧調整平墊、波紋墊的作用是作為線圈的徑向固定，阻止運行中線圈的徑向位移，由于槽楔塊的厚度為定值，線槽深度也是定值，故線槽內槽楔和上層線圈的間隙是定值，因此槽楔的壓緊度可通過在波紋墊片和線圈間填入厚度不同的環氧平墊條來調整。用小銅錘敲擊槽楔聽聲音來感覺楔塊振動、柱塞千分尺測量波紋墊片峰谷值控制波紋墊片幅度為0.45mm的方法來檢查槽楔安裝的松緊度，并在槽楔的接口部位涂適量環氧樹脂

膠，使整個線槽槽楔成為一個連續的整體，有效的抑制了單個槽楔出現松動后的竄動力。

5　結束語

決定定子線圈壽命的關鍵因素是作為隔離高電壓銅導體與定子鐵芯的電氣絕緣，有效的發電機定子線棒緊固系統能防止線棒因電氣應力、機械應力、熱應力等因素造成線棒在線槽內產生運動，導致線棒與鐵芯相摩擦損傷半導體涂層和主絕緣層。從黑麋峰抽水蓄能電廠3號、4號機發電/電動機定子槽楔竄動、松動情況看，發電/電動機工況的特殊性、槽楔安裝固定施工質量及端部槽楔安裝固定方法為定子槽楔竄動、松動主要原因，端部楔塊結構及綁扎方法的改進和端部槽楔輔助固定方式的改進，可為同類型機組定子端部槽楔安裝固定提供參考。

參考文獻：

[1]余維坤.三峽電廠發電機定子線棒固定技術[J].中國三峽建設，2004，11（6）.

[2]張 丹.抽水蓄能機組定子槽楔大修工藝[J].大電機技術，2006（4）.

中圖分類號：TM312

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）08-0059-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.08.017

收稿日期：2015-05-04

作者簡介：周紹鴻（1981-），男，工程師，從事電氣設備檢修工作。