水輪發電機定子鐵心端部沖片逸出原因分析及預防措施

劉世澤，岳文亭，肖先照，劉 宇，李 悅，武倩倩

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水輪發電機定子鐵心端部沖片逸出原因分析及預防措施

劉世澤1，岳文亭1，肖先照2，劉 宇2，李 悅2，武倩倩2

（1.國網甘肅省電力公司劉家峽水電廠，甘肅 永靖 731600；2. 哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040）

本文研究了水輪發電機定子鐵心端部沖片逸出，割傷線圈主絕緣，導致繞組接地的問題。分析了沖片逸出的原因，總結了一些在結構設計、生產工藝和安裝方面預防端部沖片逸出的措施。本文對定子鐵心結構設計以及處理沖片逸出具有指導意義。

水輪發電機；定子鐵心；沖片；逸出

0 前言

近年來，水輪發電機定子鐵心端部沖片在徑向移動逸出，割傷定子線棒主絕緣，屢屢造成定子繞組接地的事故，極大地威脅到電廠的安全生產。定子端部沖片逸出問題不是燈泡式水輪發電機所特有，越來越多的立式水輪發電機也同樣發生此類事故[1-6]。此類接地故障點都發生在下層線棒的上、下端，處理困難，維修周期長，對電站造成的影響和經濟損失巨大。行業內也越來越多的人開始關注、研究鐵心端部沖片逸出的問題。經過多年的實踐應用，廣大工程技術人員總結了一些現場處理端部沖片逸出的有效措施，也提出了一些在技術方面改進的方案[6-8]。本文分析了定子鐵心端部沖片逸出的原因，闡述了如何優化結構設計、生產和安裝工藝來預防沖片逸出。

1 鐵心端部沖片逸出問題

1.1 定子鐵心結構

定子鐵心用來固定定子繞組，也是磁路的重要組成部分，為水輪發電機定子的一個關鍵部件。發電機運行時，鐵心受機械力、熱應力及電磁力的綜合作用[9]。定子鐵心由扇形片，通風槽片、定位筋、齒壓板、拉緊螺桿及固定部件組成。定子鐵心通過沖片軛部鴿尾槽與定位筋相連，定位筋通過托塊與定子機座連接為一個整體（或者定位筋直接焊接在定子機座上的死筋結構），如圖1所示。為了減少發電機端部漏磁，定子鐵心端部通常采用3段階梯片結構，每段階梯高度為6mm，各段階梯片徑向相差6mm，階梯沖片采用粘接技術，保證鐵心端部整體性。

1.2 鐵心端部逸片現象

燈泡貫流式、立式水輪發電機組鐵心端部沖片向徑向方向移動逸出，割損線棒主絕緣造成定子繞組接地故障，如圖2所示。沖片逸出的機組鐵心結構既有穿心螺桿結構，也有背部拉桿結構；既有活動定位筋結構，也有死定位筋結構；既有大齒壓板結構，也有小齒壓板結構，幾乎涵蓋了所有應用結構。從機組發電至沖片逸出導致接地故障的時間從幾年到二十多年，燈泡貫流式機組端部沖片逸出的時間要比立式機組短很多，見表1。沖片逸出的共同特點是驅動端鐵心與齒壓板相接觸的第1張或緊接著的第2張沖片發生了竄動逸出，如圖3所示。逸出的沖片在圓周方向上分布無規律，逸出的位移大小也不相同，線棒主絕緣損傷的程度也不同。

圖1 定子鐵心結構視圖

圖2 下層線棒主絕緣受損

表1 定子鐵心端部沖片逸出機組情況統計表

圖3 立式機組驅動端沖片逸出

2 鐵心端部沖片逸出原因分析

盡管定子鐵心結構多樣，機組運行時受力也比較復雜，并且還受到制造、安裝工藝等綜合因素的影響。但通過對已發生端部沖片逸出的機組的結構型式、運行狀況、安裝工藝等方面進行對比后可知：

（1）電磁力是否會帶動沖片使端部沖片逸出？鐵心沖片裝壓時片間壓力要求達到17~19MPa，以此計算得到的摩擦力遠遠大于機組運行時鐵心沖片受到的電磁力。并且沖片逸出都是發生在鐵心端部尤其是驅動端，如果是電磁力作用的結果，會是無規律的。因此，端部沖片逸出并非電磁力作用的結果。

（2）通過表1可知。各種結構型式的定子鐵心均出現過端部沖片逸出現象，但這些結構也同樣使用在其它電站的發電機組，而這些電站運行幾十年并未出現鐵心端部逸片現象。由此可見，端部沖片逸出與鐵心結構無關。

（3）鐵心在裝壓時壓緊度不夠會導致鐵心整體性差或者松動，進而引起鐵心翹曲變形，出現振動和噪聲。嚴重的鐵心翹曲變形會使粘接的端部階梯片出現層間分離，造成沖片間的摩擦力減小[10,11]。在長期的鐵心和機座熱脹冷縮產生相對位移的情況下，下端沖片間會在摩擦力的作用下竄動逸出。但是通過對逸片的機組檢查發現，大部分鐵心并未出現翹曲變形。由此可見，鐵心裝壓緊度不夠可能會導致端部沖片逸出，但不是本質原因。

（4）定子鐵心在運行的過程中受熱應力的作用，這個力無法抗拒地存在。機組從冷態起動到熱穩定，定子鐵心和機座溫度都會升高，產生膨脹位移。然而機組停機狀態則會與之相反。由于鐵心和機座溫升不一樣，材質不一樣，鐵心與機座便會產生相對位移。當端片和壓指間存在摩擦力小于端片與其它片間的摩擦力時，則鐵心作為一個整體在壓指間滑動；當端片和壓指間存在摩擦力大于端片與其它片間的摩擦力時，壓指與端片長期摩擦力作用會使端部沖片（與壓指接觸的或者臨近的沖片）與鐵心其它沖片失去整體性，從而竄出逸片。對同一個電站多臺機組對比可知，起動次數越平凡，端片逸出問題越嚴重。由此可知，熱應力的作用使端部階梯沖片產生位移是端部沖片逸出的本質所在。

3 端部沖片逸出的預防措施

針對端部沖片逸出的原因分析，以及對以往機組逸片資料的歸納和總結，在新結構設計、生產工藝、安裝工藝等方面采取必要的改進措施，具體如下：

（1）端部階梯片粘接在制造廠內進行，保證質量，是防止沖片竄動逸出的主要措施。根據鐵心端部階梯段的結構尺寸，在制造廠內采用3543硅鋼片粘接膠，嚴格遵循邊段硅鋼片粘接工藝守則。制造廠內粘接端部沖片能克服現場安裝工藝技術的不足，是保證片間粘接力大于齒壓板與沖片間摩擦力的有力措施。

（2）端部階梯片采用閉口槽設計。與原先半開口鴿尾槽結構相比較，閉口槽限位作用更強，鐵心的整體性更好。

（3）首末段沖片的軛部絕緣銷設置。為保持定子鐵心首末段沖片的整體性，首末段沖片的軛部設置銷孔，工地疊裝時裝入絕緣銷，并用3543硅鋼片粘接膠粘牢。絕緣銷具有一定的抗剪切能力，與閉口槽配合使用，能很好地克服片間摩擦力的作用，防止沖片逸出。

（4）防止鐵心松動的壓緊結構。當鐵心沖片軛部寬度大于215mm時，選擇穿心螺桿結構，否則選擇背部拉緊螺桿結構。鐵心沖片片間壓應力按1.7~1.9MPa進行設計，并設置可以保持鐵心恒壓的碟形彈簧，拉緊螺桿上端圓螺母設置背著的防松六角螺母。這些結構改進可以保持鐵心在長時間運行和頻繁起動等工況下，片間的壓力保持在許用范圍值內，鐵心不易松動。

上述預防措施已經在居多燈泡貫流和立式水輪發電機組上得以實施，機組運行若干年未出現逸片跡象。

4 結論

水輪發電機定子鐵心端部沖片逸出導致定子繞組接地是非常嚴重的事故，過去行業內技術人員對這個問題存在認識上的不足。隨著逸片問題的不斷出現尤其是運行幾十年的立式水輪發電機組，設備制造廠和電站運維人員不斷地總結經驗，從本質上查找原因，從結構設計、制造和安裝工藝方面不斷地加以規范和改進，徹底解決了鐵心端部逸片問題。

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Cause Analysis and Preventive Measures on the Escape of Punching Slice of Hydro-generator Stator End

LIU Shize1, YUE Wenting1, XIAO Xianzhao2, LIU Yu2, LI Yue2, WU Qianqian2

(1. Liujiaxia Hydro Power Station, Yongjing 731600, China;2. Harbin Electric Machinery Co., Ltd., Harbin 150040, China)

This paper deals with the problem of stator winding grounding caused by the escape of punching slice of hydro-generator stator end. It further analyses the causes of the escape of punching slice and summaries some measures to prevent the escape of punching slice from structural design, production process and installation process. This paper has guiding significance for the stator core structure design and treatment on the escape of punching slice.

hydro-generator; stator core; punching slice; escape

TM312

A

1000-3983(2017)06-0044-03

2017-01-15

劉世澤（1966-），1994年畢業于華北電力學院電力系統及其自動化專業，獲工程學學士學位，高級工程師，國網甘肅劉家峽水電廠生產技術部主任工程師，高電壓專業技術帶頭人。