某抽水蓄能電站磁極阻尼環(huán)脫槽變形故障分析及處理

李 華，陳泓宇

（南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司清遠(yuǎn)蓄能發(fā)電有限公司，廣東省清遠(yuǎn)市 511853）

某抽水蓄能電站磁極阻尼環(huán)脫槽變形故障分析及處理

李 華，陳泓宇

（南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司清遠(yuǎn)蓄能發(fā)電有限公司，廣東省清遠(yuǎn)市 511853）

某抽水蓄能電站3號機(jī)組在進(jìn)行過速試驗(yàn)（120%額定轉(zhuǎn)速）后出現(xiàn)1號磁極下端部的阻尼環(huán)單側(cè)脫槽下墜、連接片變形現(xiàn)象。對此，本文重點(diǎn)介紹了阻尼環(huán)脫槽原因分析、提出了可靠的解決方案及合理化建議，對類似新建電站有著重要的參考價值。

發(fā)電機(jī)；磁極；阻尼環(huán)；故障處理

0 引言

目前，少數(shù)水電站機(jī)組在過速時出現(xiàn)阻尼環(huán)脫槽現(xiàn)象，有的甚至“掃膛”，影響極大。如某抽水蓄能電站（以下簡稱“該蓄”）3號機(jī)組在過速試驗(yàn)（120%額定轉(zhuǎn)速）后進(jìn)行的例行檢查中發(fā)現(xiàn)1號磁極下端部的阻尼環(huán)單側(cè)脫槽下墜、連接片變形。通過內(nèi)窺鏡檢查發(fā)現(xiàn)阻尼條與阻尼環(huán)焊接處有輕微變形，跡象顯示，阻尼環(huán)懸臂部分在機(jī)組過速離心力作用下脫槽變形。對此，本文重點(diǎn)介紹了阻尼環(huán)脫槽問題原因分析、處理措施及合理化建議。

1 該蓄磁極阻尼環(huán)結(jié)構(gòu)簡介

為了抑制轉(zhuǎn)子自由振蕩、削弱過電壓倍數(shù)，提高發(fā)電機(jī)承擔(dān)不對稱負(fù)荷的能力和加速自同步過程，從而提高電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，水輪發(fā)電機(jī)都設(shè)置了阻尼繞組。阻尼繞組一般由阻尼條、阻尼環(huán)和連接片（桿）組成，阻尼環(huán)的交接部分，伸出極靴之外，相當(dāng)于一端固定的懸臂梁。對于高速電機(jī)，它所承受離心力是較大的，阻尼環(huán)懸出部位的彎曲應(yīng)力就有可能大于失穩(wěn)強(qiáng)度。而由于阻尼環(huán)交軸部分失穩(wěn)，阻尼環(huán)扭彎，造成定子繞組損毀的事故不乏其例。水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上阻尼繞組的阻尼環(huán)及其連接片在運(yùn)行中出現(xiàn)位移刮碰到定子線圈繞組絕緣的事故在某些電站也時有發(fā)生。

如圖1所示，該蓄轉(zhuǎn)子磁極由7根?23銅質(zhì)阻尼條穿磁極鐵芯連接（銀銅焊）上、下阻尼環(huán)，阻尼環(huán)兩端由軟連接片螺栓把合形成縱、橫向結(jié)構(gòu)的阻尼繞組。從圖2和圖3可以看出，阻尼環(huán)兩端的懸臂長度達(dá)到350mm，其可能產(chǎn)生的離心力主要靠磁極極靴嵌入阻尼環(huán)的8mm×870mm×6mm的凹槽承受。圖4顯示，極靴凸臺嵌入阻尼環(huán)凹槽的設(shè)計深度為5mm，磁極外側(cè)極靴與阻尼環(huán)的間隙設(shè)計值為7mm，內(nèi)側(cè)為2mm。

2 阻尼環(huán)脫槽故障初析

目前，水輪發(fā)電機(jī)阻尼環(huán)結(jié)構(gòu)形式主要有以下三種：阻尼環(huán)不貼靠極靴，沿極弧設(shè)置與阻尼條焊接相連，如圖5所示局部剖面圖。

圖1 磁極鐵芯裝配Fig.1 Magnetic pole iron core assembly

阻尼環(huán)開有弧形槽，極靴上設(shè)置凸臺與之配合固定，如圖3所示。在這種結(jié)構(gòu)中，阻尼環(huán)凹槽深度約為阻尼環(huán)厚度的1/2。

通常可用式（1）粗略判定阻尼繞組是否需要加固，該蓄的計算結(jié)果是：

式中Di——定子鐵芯內(nèi)徑（cm），該蓄為?530cm；

nr——飛逸轉(zhuǎn)速（r/min），該蓄為690r/min；

2p——磁極數(shù)，該蓄為14。

當(dāng)B＜0.6×109時阻尼環(huán)可采用圖5方式；當(dāng)0.6×109＜B＜2.1×109時，阻尼環(huán)可采用圖6所示的鋼銷釘加固方式；而該蓄的B=9.55×109＞2.1×109，則應(yīng)采用磁極壓板凸臺固定方式。

當(dāng)然，對于該蓄這樣的高轉(zhuǎn)速機(jī)組，利用拉桿+連接片也參與承受阻尼環(huán)伸出端的離心力。

如前所述，該蓄轉(zhuǎn)子阻尼環(huán)的懸臂長度達(dá)到350mm，相對于惠蓄的244.5mm（如圖7所示）其離心力要大得多。同樣，由于該蓄的阻尼條比較集中于磁極中部，其懸臂所形成的離心力也比蒲石河、響水澗等電站要大，如圖8和圖9所示。因此，在阻尼環(huán)脫槽的情況下，機(jī)組過速或飛逸轉(zhuǎn)速下離心力形成的彎矩必然會使得阻尼環(huán)和連接片變形。

(一)上馬石和銀庭寺。古道通過的里灣村口有一上馬峧(gǎo)，峧中有兩方大石，高約1.2～1.6米，當(dāng)?shù)卮迕穹Q這兩方大石為王羲之的上馬石；里、外灣村的村民們叫庵基崗的地方，龍皇堂村民稱為銀庭寺，當(dāng)?shù)卮迕裾f：“先有銀庭寺，后有金庭觀，古代是這樣傳下來的?！?/p>

阻尼環(huán)脫槽成因剖析：

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）該蓄阻尼環(huán)凹槽深度只有環(huán)板厚度的1/3，即1/3×18=6mm，較多電站的阻尼環(huán)凹槽深度一般為阻尼環(huán)厚度1/2。磁極壓板凸臺入槽設(shè)計值約5mm，也有脫槽的風(fēng)險。

圖2 阻尼環(huán)A-A視圖Fig.2 Damping ring A-A view

圖3 磁極阻尼環(huán)Fig.3 Magnetic Pole damping ring

圖4 阻尼環(huán)與極靴配合詳圖Fig.4 The detail of the damping ring and the pole shoe

圖5 焊接式Fig.5 Way welding

圖6 焊接及固定式Fig.6 Way welding and stationary way

圖7 惠蓄轉(zhuǎn)子阻尼環(huán)Fig.7 Rotor damping ring of “Hui Pumped storge”

圖8 響水澗電站磁極Fig.8 Magnetic pole of “Xiang shuijian plant”

圖9 蒲石河電站磁極Fig.9 Magnetic pole of “Pu shihe plant”

（2）惠蓄、響水澗電站等把凸臺設(shè)置在阻尼環(huán)上的設(shè)計較之該蓄在阻尼環(huán)上開凹槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計會較大增強(qiáng)阻尼環(huán)的剛度，如圖10所示惠蓄阻尼環(huán)的A-A視圖，其800mm×25mm×10mm的凸臺就是明顯的例證。

2.2 質(zhì)檢點(diǎn)有疏漏

（1）在制造安裝過程中裝配工藝不夠嚴(yán)密，如磁極壓板凸臺與阻尼環(huán)的凹糟裝配誤差大，有的甚至處于脫槽狀態(tài)。如圖11所示，4號機(jī)磁極掛裝完成尚未裝配連接片，而部分阻尼環(huán)與磁極壓板的凸臺處于脫槽狀態(tài)。

圖10 惠蓄阻尼環(huán)截面Fig.10 Damping ring cross section of “Hui Pumped storge”

（2）經(jīng)檢測，3號機(jī)1號磁極阻尼條部位阻尼環(huán)與極靴間隙（外部，即圖4“C”部位）均是正常的（小于或等于7mm），2～14號磁極的壓板凸臺也均在阻尼環(huán)槽內(nèi)，其上部約有20%，下部約有36%的間隙值超過了廠家6.0～7.5mm的設(shè)定值，見表1。

圖11 4號機(jī)某磁極Fig.11 Magnetic pole of #4

表1 3號機(jī)磁極阻尼環(huán)與極靴間隙值Tab.1 Magnetic pole damping ring and pole shoe clearance value of #3 unit

（3）同樣，檢測1號機(jī)阻尼環(huán)均無脫槽現(xiàn)象，但“C”部位間隙測量數(shù)據(jù)（見表2）表明，上部約有38%、下部約有67%的間隙值超過了廠家6.0～7.5mm的設(shè)定值。

表2 1號機(jī)磁極阻尼環(huán)與極靴間隙值Tab.2 Magnetic pole damping ring and pole shoe clearance value of #1 unit

（4）同樣，檢測2號機(jī)阻尼環(huán)均無脫槽現(xiàn)象，但“C”部位間隙測量數(shù)據(jù)（見表3）表明，上部約有31%、下部約有46%的間隙值超過了廠家6.0～7.5mm的設(shè)定值。

表3 2號機(jī)磁極阻尼環(huán)與極靴間隙值Tab.3 Magnetic pole damping ring and pole shoe clearance value of #2 unit

2.3 運(yùn)行中不可預(yù)見因素的影響

（1）運(yùn)行中由于磁極溫度上升，銅質(zhì)阻尼條因其膨脹系數(shù)明顯高于鐵芯部件，使得阻尼環(huán)向上下兩側(cè)伸長（據(jù)廠家介紹，平均單側(cè)伸長量為1.57mm左右）而減少入槽深度，這種情況尤以下部阻尼環(huán)更其突出。因此，原入槽深度不足部位就有可能在甩負(fù)荷、過速（甚至飛逸）工況下脫槽造成阻尼環(huán)變形。如若機(jī)組突發(fā)不對稱短路運(yùn)行時，則極靴以外的阻尼環(huán)端頭和連接片便有可能產(chǎn)生塑性變形甚至觸碰、刮壞定子線圈，這樣的事故曾在一些電站發(fā)生過，不能不引起高度重視。

（2）由于3號機(jī)（原1號機(jī)）轉(zhuǎn)子鐵芯疊壓時系在油壓機(jī)卸壓情況下使用扭力扳手實(shí)施壓緊形成鐵芯片間29kgf/cm2壓應(yīng)力的，在拉緊螺桿偏離磁極鐵芯重心形成一個對鐵芯整體的扭曲力矩的情況下所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，在機(jī)組運(yùn)行中受到振動、溫度的影響而釋放也有可能與阻尼環(huán)的變形有關(guān)。

3 現(xiàn)場處理

對于3號機(jī)組1號磁極下端部的阻尼環(huán)脫槽問題，根據(jù)廠家提出的方案，采取撬棍+塑料錘敲擊的方式將脫槽的阻尼環(huán)徑向調(diào)整至槽口，并用千斤頂頂入槽，并盡可能消除了應(yīng)力，基本達(dá)到預(yù)期裝配效果，如圖12所示。

圖12 處理方法Fig.12 Treatment methods

處理過程中，主要檢測阻尼環(huán)與極靴內(nèi)外側(cè)間隙（如圖13及圖4之“C”“D”所示），見表4。

表4 3號機(jī)1號磁極阻尼環(huán)與極靴間隙值Tab.4 #1 Magnetic pole damping ring and pole shoe clearance value of #3 unit

其他阻尼環(huán)內(nèi)外側(cè)間隙超標(biāo)部分，采用塑料錘敲打的方式處理，最終處理結(jié)果基本達(dá)到了圖4的“C”點(diǎn)間隙小于或等于7.5mm及“D”點(diǎn)間隙小于或等于3.5mm的設(shè)計要求。

處理完成后，3號機(jī)組繼續(xù)進(jìn)行調(diào)試試驗(yàn)，在3號機(jī)組進(jìn)行50%、75%、100%甩負(fù)荷后檢查阻尼環(huán)與極靴間隙基本無變化，在1號機(jī)、2號機(jī)、3號機(jī)同甩負(fù)荷試驗(yàn)后檢查阻尼環(huán)與極靴間隙變化也甚微，表明采用以上處理方法有效可行，但是否滿足機(jī)組長期正常運(yùn)行，還需要觀察。

4 結(jié)語與建議

4.1 設(shè)計修改

在阻尼環(huán)剛度沒有影響的情況下，建議采用常規(guī)設(shè)計，若采用偏小的槽深設(shè)計方式，在阻尼條溫升、磁極壓板凸臺、阻尼環(huán)凹槽加工誤差以及阻尼條焊接變形等諸多因素影響下加大了阻尼環(huán)脫槽的可能性。

優(yōu)化阻尼條的布置結(jié)構(gòu)適當(dāng)減小阻尼環(huán)懸臂長度以削弱離心力的影響。

鑒于在結(jié)構(gòu)設(shè)計上允許采取銷釘固定阻尼環(huán)在磁極壓板上的方式，建議對下部阻尼環(huán)采取裝配同材質(zhì)銅銷釘（每塊阻尼環(huán)用2～4顆），其銷釘頭部采用銀銅焊點(diǎn)焊固定。

4.2 制造安裝

充分估量阻尼條焊接對阻尼環(huán)變形的影響，在可能情況下采取合適的反變形措施。將磁極壓板凸臺入槽深度（即“C”“D”間隙值）的設(shè)計值及其公差范圍明確作為車間驗(yàn)收的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場安裝驗(yàn)收時，增加阻尼環(huán)入槽深度測量環(huán)節(jié)。

4.3 運(yùn)行檢修建議

對于該蓄電站的阻尼環(huán)設(shè)計特點(diǎn)，在運(yùn)行過程中，如果出現(xiàn)長時間運(yùn)行，而且密集頻繁多次甩負(fù)荷，有必要隔離機(jī)組檢查阻尼環(huán)入槽的情況；如果出現(xiàn)阻尼環(huán)與極靴間隙值增大，可用塑料錘敲打減小阻尼環(huán)與極靴間隙，但如果用以上所述修改設(shè)計的方法處理或許對機(jī)組長期安全穩(wěn)定運(yùn)行更有利。

圖13 阻尼環(huán)調(diào)整測量點(diǎn)Fig.13 Damping ring adjustment measuring point

[1] 陳安禮，聶志德.烏江渡發(fā)電廠擴(kuò)建工程機(jī)組轉(zhuǎn)子阻尼環(huán)故障分析及處理方法[J].貴州水力發(fā)電，2014，18（1）：40-41.Chen Anli，Nie Zhide.Fault analysis and treatment method for rotor damping ring of unit in Wu jiang-du power plant expansion project [J].Guizhou Water Power，2014，18 （1）： 40-41.

[2] 夏惠珍，斯子花.水輪發(fā)電機(jī)阻尼環(huán)改進(jìn)設(shè)計[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2003，30（03）：77-78.Xia Huizhen，Si Zi Hua.Improvement design of damping ring for hydraulic turbine generator [J].Electric Machines & Control Application，2003，30 （03）： 77-78.

2016-08-13

2016-11-01

李 華（1982—），男，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站機(jī)電建設(shè)及生產(chǎn)維護(hù)。E-mail：13926169862@163.com

陳泓宇（1975—），男，工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)運(yùn)行檢修和基建工作。E-mail：542120791@qq.com

Analysis and Treatment of Removing Groove and Deformation of the Pole Damping Ring of The Pumped Storage Power Station

LI Hua，CHEN Hongyu
（CSG Power Generation Company Qingyuan Pumped Storage Power Co.， Ltd.，Qingyuan 511853，China）

#3 unit of the Pumped Storage Power Station in a overspeed test （120% of rated speed） appears the lower end of #1 magnetic pole damping ring unilateral removing groove and falling，and the connecting sheet deformation phenomenon.so，this paper focuses on the analysis of the cause of the damping ring removing groove，and puts forward the reliable solution and reasonable suggestions.It has important reference value for the similar new building power plant.

generator; magnetic pole; damping ring; fault treatment

TM 312

B學(xué)科代碼：570

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.016