大型汽輪發(fā)電機定子鐵心熔化故障分析

沈樑偉，葉國華

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大型汽輪發(fā)電機定子鐵心熔化故障分析

沈樑偉1，葉國華2

（1. 哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040；2. 粵電集團有限公司，廣州 510630）

本文研究的發(fā)電機定子鐵心熔化故障，最近幾年在國內外600MW及以上大型發(fā)電機中均發(fā)生過。定子鐵心軛部和槽部若留有金屬性異物也會造成鐵心過熱熔化，一般在投運不久就會發(fā)現(xiàn)，它不在本文討論的范圍之內。在排除了各種可能的機械因素如鐵心松動、硅鋼片刷漆不良、通風槽鋼形狀不好、沖片與定位筋鴿尾間隙不合適等，本文討論的定子鐵心熔化故障確認屬電磁問題，但過去國內在定位筋電流、沖片間過電壓這方面研究甚少。鑒于故障現(xiàn)象類似性，在尋找規(guī)律方面進行探討后，找出事故原因和處理措施，為今后設計、運行提供參考。

汽輪發(fā)電機；定子沖片熔化；定位筋電流；沖片片間電壓

0 前言

大型汽輪發(fā)電機設計比較復雜、鐵心制造工藝也很精細。常見的定子鐵心質量問題在電站運行后暴露出來的有：鐵心松動，鐵心振動大、噪聲大，端部鐵心斷齒等。定子鐵心出了問題如何修理要視具體情況而定。若定子鐵心局部松弛，在現(xiàn)場可以處理可用帶膠環(huán)氧玻璃布板撐緊，個別齒斷了可用絕緣材料制成的假齒填塞。但是定子鐵心整體或局部松弛，鐵心振動磨損、噪聲大等，因現(xiàn)場無壓緊設備，需返廠才能修復。定子鐵心燒熔是在瞬間發(fā)生，對這種現(xiàn)象目前尚無有效監(jiān)測手段。一旦鐵心燒熔，定子繞組也隨之短路，此等事故必須返廠，不但定子運輸成本很高而且修理時間長，停機停電的損失很大。因此對大型汽輪發(fā)電機鐵心質量要求很高，需終身服務，從某種意義上說，發(fā)電機壽命即為定子鐵心壽命。

1 定子鐵心結構和電磁問題

在事故分析之前需對討論對象有所認識，下面介紹所涉及的600MW級發(fā)電機鐵心結構和電磁問題。

如圖1所示，600MW發(fā)電機整個定子端部繞組通過帶滑動的支撐架固定在壓圈上。繞組在徑向和切向呈剛性固定，軸向可以移動以減少熱應力。端部引線也支撐在支架上，靠內端蓋上滑銷保持軸向移動。

由圖2可見，沖片疊壓在定位筋上，靠鴿尾固定，壓圈、壓指將需要的緊量傳給沖片，一般為2MPa左右。壓圈在油壓設備上收緊后用定位筋螺母保持緊力。定位筋左右兩側有彈簧板，彈簧板與定位筋通過螺銷把合。鐵心振動被彈簧板變形吸收后再傳遞到機座幅板，機座由幅板和筋板焊接成圓筒結構。

圖1 定子繞組端部支撐結構

圖2 定子鐵心彈性支撐

關于電磁問題主要是做定性分析：關注主磁通軸向漏磁通的走向，定位筋電流途徑，沖片片間電壓形成等等。至于數(shù)值分析，定量計算這方面國內工作進行得較少，只能參考國外資料[1-3]。幸運的是由于英國500MW發(fā)電機鐵心出了幾起事故。他們先于我們做了不少工作，所以在下面事故分析中直接應用了文獻結論，好在發(fā)電機結構與容量相近，這樣做是可信的。

圖3中表示了兩種磁通：主磁通和端部軸向漏磁通。由軸向漏磁通形成的定位筋電流是一段段的以鐵心端環(huán)或幅板為回路，短接后似一個鼠籠。若定位筋電流要通過鐵心必須要兩次經過沖片與鴿尾間隙，這兩處接觸電阻值是不確定的。

主磁通在發(fā)電機軸向是均勻的，由于發(fā)電機定子軛部磁密飽和度設計的不一樣，不同的發(fā)電機在鐵心背部定位筋處的漏磁大小不同，但數(shù)值均不大，據(jù)實測最大約0.01T，并且發(fā)電機在運行時有伏/赫保護，發(fā)電機過磁通按IEC60034-3規(guī)定不允許超出5%[4]，因此主磁通漏磁不會增大至危及安全的程度。由定子繞組端部電流產生的軸向漏磁通雖然受圖1中銅屏蔽渦流抵制，但數(shù)值依然較大。它與定子電流大小成線性關系，隨端部軸向距離和鐵心徑向距離改變而改變，如圖4，圖5所示[5]。

圖3 端部鐵心中磁場和定位筋電流

圖4 汽輪發(fā)電機定子內軸向漏磁通密度

圖5 定子電流與鐵心漏磁場關系

漏磁通還在兩層沖片搭接處產生片間電壓，片間電壓大小與沖片與鴿尾處接觸電阻大小及對稱性有關。由發(fā)電機主磁通引起的迭片之間的電壓較低，小于50mV，通常只要有20μm的漆膜就行。如果兩沖片之間的絕緣損壞，通過接觸點的電流不會造成過熱或擴大損傷區(qū)域。而靠近鐵心端部由軸向漏磁場產生的層間電壓比主磁通產生的層間電壓要高一個數(shù)量級約500mV，它可能引起發(fā)熱，從而形成損傷區(qū)域。一般說較高的片間電壓出現(xiàn)在沖片與定位筋之間的接觸電阻較高（200mΩ或以上）的鐵心中。如果沖片與定位筋之間的接觸電阻較低（20mΩ或以下），則沖片片間電壓可以大幅度下降。要注意將定子鐵心與定位筋之間夾緊，以便在鐵心背部形成穩(wěn)定的低電阻接觸[5]。

2 故障現(xiàn)象

以廣東省為例，自1995年至2015年間，產生鐵心熔化的事故有5起，其中涉及進口發(fā)電機2臺，國產3臺。故障現(xiàn)象比較類同，為簡單起見，列出3臺次，這3臺發(fā)電機為同一制造廠制造，設計相同，見表1。

發(fā)電機主要規(guī)格：

型號：QFSN-2-22A；電壓：22kV；n：600MW；cos：0.9；冷卻方式：水氫氫；勵磁方式：靜態(tài)勵磁。

表1 故障情況匯總

圖6 定位筋與通風槽板鴿尾處燒熔

圖7 沖片鴿尾處灼傷

圖8 鐵心磁軛燒熔

圖9 定位筋灼傷

圖10 銅屏蔽燒傷

圖11轉子槽楔打壞

表1指出：故障范圍與運行時間關系很大，故障是隨運行時間增加逐漸發(fā)展的。茂名7號機運行僅半年，小修時發(fā)現(xiàn)定位筋鴿尾與沖片間有電弧燒傷；端部鐵心外圓表面有燒傷。

圖12 定子線棒燒損

紅海灣2號機第1次自2008年投運后，64#測溫元件（接近鐵心故障部位）測得溫度始終超過標準而原因又找不到，被迫決定返廠，解體才發(fā)現(xiàn)了鐵心燒熔前兆，運行約1年定位筋有燒傷，通風槽板、通風槽鋼有電燒傷，發(fā)現(xiàn)過程純屬偶然。

紅海灣2號機第2次運行約4年，在運行記錄中找不出一點事故將發(fā)生的跡象，突然出現(xiàn)鐵心溫度異常升高，幾分鐘后定子繼電保護動作，機組已經跳閘。解體后發(fā)現(xiàn)壓圈、定位筋鴿尾通風槽鋼、壓指、銅屏蔽、端部槽底鐵心燒熔、端部軛部鐵心巳經燒熔。即使事故后解體前，用ELCID[6]，LOOPTEST試驗都很難發(fā)現(xiàn)故障點，用內窺鏡攝像也能發(fā)現(xiàn)。

這幾次故障的共同特征是:

（1）故障均發(fā)生在發(fā)電機汽、勵兩端端部前8段主鐵心，從第4段起逐步減輕至第8段全部消失，如圖13所示。

（2）故障發(fā)電機汽、勵兩端的前8段鐵心定位筋與沖片處均有電弧嚴重燒傷，再往里去沒有。

圖 13

3 故障原因探討

在探討故障原因之前先檢查確認了一些質量情況。按相關標準對沖片刷漆質量、沖片與定位筋鴿尾配合尺寸、通風槽鋼尺寸、通風槽鋼點焊質量、鐵心裝壓緊度、沖片材質等進行了檢查，均確認合格，出廠時的鐵損發(fā)熱試驗證明定子鐵心無過熱點,一切正常。

找出故障始發(fā)點非常重要。從表1可推斷故障發(fā)生的時序如下：定位筋與沖片間電弧燒傷→通風槽鋼、通風槽板，沖片燒傷→壓指燒傷、銅屏蔽燒傷、壓圈燒傷→端部鐵心槽底、端部鐵心軛部燒熔。從圖3可見鐵心中有徑向主磁通和由它引起的徑向漏磁通。經查QFSN-2-22A的主磁通設計磁密雖比常規(guī)設計大9%，但廠內空載、短路試驗時測得的端部各部件的漏磁通屬正常范圍。運行時發(fā)電機裝有過勵磁保護裝置，運行記錄中無過電壓記錄，進相運行也不深，因此主磁通過勵燒傷的可能性不大。

定子繞組電流在端部鐵心內形成軸向漏磁通并生成定位筋電流，它與定子繞組電流呈線性關系，因此瞬態(tài)運行如重合閘等情況下，定子定位筋中電流會急劇增加。據(jù)參考文獻[3]報道一臺660MW發(fā)電機上，正常負荷下其測量結果顯示一極下定位筋中電流約1500A，機座環(huán)形筋板中電流約3500A。圖3顯示定子鐵心沖片鴿尾與定位筋之間有間隙，形成不穩(wěn)定的電阻，在定位筋與沖片鴿尾有電弧燒損的情況下，在端部一段距離內定位筋電流進入沖片會引起鐵心背部與定位筋接觸處過熱，若流向鐵心齒根和槽部，造成大面積過熱甚至使鐵心疊片熔焊但過程很慢，一旦沖片間有短路點，情況加速。

定位筋電流由定子繞組軸向漏磁通所引起，越靠近端部，其值越大。一旦定位筋與沖片間電弧燒傷，使定位筋電流流入沖片形成通道才是故障發(fā)生的主要根源。正常情況下每段定位筋電流被機座幅板導通，不會造成鐵心沖片過熱。定位筋電流在包含最大磁通回路和導電率高的回路中流通。定位筋電位如圖14所示，離端部越近的定位筋電位越高，就越易在鴿尾間隙內打火。另外沖片鴿尾處的振動大小也是形成拉弧的一個因素，見文獻[8]。文獻[9]詳細描述國外一臺發(fā)電機定子鐵心熔化故障，它與紅海灣2#機第2次事故十分相近。文獻[10]敘述了大型發(fā)電機鐵心故障，尤其是鐵心熔化故障的形成和機理。

圖14 定位筋電位

通常額定電壓下，600MW級發(fā)電機主磁通在6.5m長的鐵心上感應800V電壓。因為發(fā)電機主磁通在6.5m長度上是均勻的，所以對于0.35厚沖片，相鄰兩層疊片間的感應電壓為45mV，由軸向漏磁引起的分瓣沖片片間電壓隨鐵心背部接觸電阻值而不同，疊片間的感應電壓通常在80~200mV左右，沖片漆膜涂層厚5μm時，擊穿電壓至少為500V，因此正常情況下裕度很大，但瞬態(tài)工況下疊片間的感應電壓會有數(shù)量級增加就有擊穿可能性。

故障原因分析中感困惑難解的是該型發(fā)電機已成功運行了近180臺，發(fā)電機設計、工藝、材料相同，屬同一制造廠生產，為什么偏偏這3臺出事故呢？這就說明了正常情況下定位筋電流通過鐵心的機率很小。但是定位筋電壓大小，定位筋與沖片間隙形成的接觸電阻，定位筋正常回路中與壓圈接觸處的阻抗，定子端部軸向漏磁通等均存在著很大的不確定性。數(shù)個因子疊加就可能出問題。從可靠性設計角度出發(fā)，這種情況也要找到原因進行數(shù)值計算，采取防范措施才是技術關鍵。

4 解決措施

針對以上分析，要使定位筋電流減小并且不以沖片為通路，可采取以下措施：

（1）進一步減少端部軸向漏磁通。如圖 15所示，GE容量1000MW發(fā)電機在銅屏蔽基礎上再加磁屏蔽以導通軸向漏磁通為徑向漏磁。并采用有取向冷軋硅鋼片改善導磁性能，提高飽和度。例如硅鋼片無取向牌號50W270的飽和點為2.1T，有取向35Q115飽和點為2.65T，提高了1.25倍。

圖15 銅屏蔽加磁屏蔽

（2）個別將定位筋釆用非磁性材料以減小定位筋感應電位。

（3）使定位筋電流不以鐵心為回路的方法有兩種：將汽、勵兩端定位筋用導電率高的銅排連接,形成定位筋電流通路，如圖16所示。

另一種方法是將定位筋鴿尾與鐵心沖片間加絕緣套，阻斷定位筋電流與沖片流通的可能性，結構示意如圖17所示。絕緣套僅加在主鐵心汽、勵兩端各8段主鐵心，長約400mm。當然在鐵心整長加絕緣套也是可以的。

（4）保證鐵心端部沖片漆膜涂層厚15μm以上。

圖16 兩端定位筋電流低阻通道

圖17 定位筋絕緣套

實施證明效果較好，見表2，在同樣部位降低了溫度。

表2 溫度對比

注：紅海灣1號機原型設計，紅海灣2號機定位筋短路，茂名7號機定位筋短路加定位筋絕緣。

5 結論

從表2可見高電導率銅排分流和定位筋絕緣套聯(lián)合使用效果最好，而且降低了有關部件的電流損耗，應予推薦。數(shù)值計算佐征相當復雜，正在進行之中等以后再補。

[1] Jackson, RJ: Interlamination voltage in Large turbogenerators[J], IEE, 1978, 125, pp1232-1238.

[2] P. Richardson: Stray losses in synchronous electrical machinery[J], IEE vol 92 pp291-304.

[3] Z.Posedel: Method and apparatus for inspecting iron core statcks for interlamination shorts[M], United States patnet, Feb.26, 1991.

[4] IEC60034-3, Specific reguirements for synchronous generators driven by steam turbines or combustion gas turbines[S].

[5] 趙昌宗編譯，大型汽輪發(fā)電機中的鐵心片間電壓[J]. 東方電機, 2015，43(3).

[6] 關建軍, 等, 發(fā)電機定子鐵心EL CID試驗分析與探討[J]. 2005, (3).

[7] Jacobs, etc. Calculation of losses in the end region of turbo- generators[J]. Proc. IEE, 1977, 124, (4).

[8] TAVNER, P. J., and PENMAN, J.: Currents flowing in the stator-core frames of large electrical machines[J]. IEE Proc. C, Gener. Trans. & Distrib., 1983, 130(6).

[9] Christian Bouwmeester, etc. Root Cause Analysis of 450MVA generator stator core fault[C]. CIGRE 2016 AI-107.

[10] 姜茜編譯, 汽輪發(fā)電機定子鐵心故障[J]. 東方電機, 2015, 43 (3).

Stator Core Melting Failure Analysis for Large Size Turbo-generator

SHEN Liangwei1, Ye Guohua2

(1. Harbin Institute of Large Electrical Machinery, Harbin 150040, China;2. Guangdong Yudean Group Co., Ltd., Guangzhou 510630, China)

In recent years, for domestic and abroad power plant, the stator core melting failurewhich is studied in thispaperhas ever happened in large size turbo generator with capacity of 600MW and above. The foreign metal fragment left in stator yoke or slot will cause overheating and melting ofstator core, which can be found soon after operation, is not belong to the discussing scope of this paper. Excluding the possibilities of mechanical factors such as stator core loose, silicon steel bad painting, ventilation sheet poorly shaped, inappropriate clearance between stator laminationandkey bar dovetail, etc., the stator melting failure discussed in this paper belongs to electromagneticissue. However, there are few study for key bar currentin last years. Based on the similarity of fault phenomenon, we can find the accident reason and treatment measurement through analysis. It will provide references for design and operation of turbo-generator.

turbo-generator; stator lamination melting; key bar current; lamination voltage

TM311

A

1000-3983(2016)06-0001-05

2016-01-25

沈樑偉（1940-），1962年畢業(yè)于浙江大學電機制造專業(yè)，1993-2000任哈爾濱大電機研究所副總工程師，2000-2016任技術顧問，工作重點為汽輪發(fā)電機設計、故障診斷、發(fā)電機標準制修訂，教授級高工。

審稿人：王彥濱