天荒坪抽水蓄能電站發電電動機定子繞組端部磨損松動處理

陸 勝，常玉紅，李建光，朱慶龍

（1.華東天荒坪抽水蓄能有限責任公司，浙江省安吉縣 313302；2.國網新源控股有限公司，北京市 100761；3.山西西龍池抽水蓄能電站有限責任公司，山西省忻州市 035503）

0 引言

相對于常規水輪發電機組而言，抽水蓄能機組轉速高、工況轉換及啟停頻繁，定子繞組及端部引線的長度較長，其端部受力情況更為復雜。若繞組端部和端箍、固定支架結構不合理，或綁扎不牢固，運行時繞組端部和端箍之間容易因振動發生相對位移并導致主絕緣的磨損。

本文介紹了天荒坪抽水蓄能電站發電電動機定子繞組端部主絕緣在運行中出現磨損、端箍松動的檢查情況，通過現場測量定子繞組端部的固有頻率，分析缺陷產生的原因，根據設備的結構特點和現場實際情況提出了整改加固方案，以及消缺改造的過程，對同類型發電電動機在設計、安裝和運維階段需關注的要點提出了建議。

1 缺陷概況

天荒坪抽水蓄能電站位于浙江省安吉縣境內，屬日調節、純抽水蓄能電站，裝有6臺單機容量為300MW的可逆式水輪發電機組，額定轉速500r/min，于1998年9月至2000年12月間投產。

2002年11月，天荒坪抽水蓄能電站在2號機（1998年12月投產）定檢時發現部分定子繞組端部與端箍綁扎處有淡黃色油泥狀（見圖1）或粉末狀物質，對其清整干凈后，下次在后續的定檢和檢修時仍有類似現象。2004年2號機檢修時，發現這種現象在數量和程度上均有發展的趨勢，且部分綁扎的玻璃絲帶有松動，用手即可搖動。清洗缺陷處發現線棒與玻璃絲綁帶間有縫隙，其中169槽的下層線棒下端部與端箍單的綁帶已完全松開，線棒與滌綸適形墊接觸面的主絕緣已發生磨損，磨損的最大深度約3.5mm。后對其他機組也進行了針對性檢查，發現也存在類似的現象，情況沒有2號機嚴重。運行單位對淡黃色油泥狀物質取樣委托進行灼燒殘留物分析，試驗結果表明其主要成分為硅、鋁、鈣等物質，與玻璃及云母的主要成分基本吻合。結合缺陷的現象和試驗結果基本可以判斷該物質為線棒表面的絕緣與綁扎的玻璃絲帶相互摩擦產生的粉末，如遇到油霧則會呈油泥狀。

2 原因查找與分析

定子線棒端部引線的固有頻率測量及調整對于隱極發電機來說是重要的、也是極為關鍵的工作。如果線棒端部引線的固有頻率落在95～108Hz的“共振區”，將會加劇線棒端部振動的幅值，容易使綁扎松脫、線棒主絕緣磨損，因振動還可導致機械疲勞引起的股線斷裂，嚴重的故障將引發端部相間短路事故。GB 20140—2016 《隱極同步發電機定子繞組端部動態特性和振動測量方法及評定》對隱極機的相關測量及評定有明確規定。但對于常規水電機組由于轉速低、定子線棒和端部引線的長度短，其固有頻率不太可能落入“共振區”，制造廠一般較少考慮其固有頻率對線棒端部振動的影響。大型高水頭抽水蓄能機組的轉速相對較高，定子繞組和端部引線相對較長（與汽輪發電機接近），端部引線的固有頻率相對常規水電機組可能偏低。為驗證這個判斷，運行單位委托試驗單位對6臺機組進行了線棒端部引線固有頻率的測量，測量結果見圖2和圖3。

結果顯示：6臺機組均有部分線棒端部的固有頻率落在“共振區”，2號機尤為突出，這與2號機的缺陷情況最嚴重也是吻合的。通過該試驗可以認為導致定子端部綁扎松動和絕緣磨損的主要原因是定子端部引線的固有頻率在“共振區”加劇了其振動的幅值，長期運行后造成線棒與綁帶及端箍之間的相對位移和摩擦。

圖1 2號機下端部端箍綁扎磨損照片Fig．1 Shows the wear of the lower end of the unit 2

圖2 6臺機組定子繞組下端部固有頻率測試結果Fig．2 The results of the natural frequency test of the lower end of the stator winding of 6 units

圖3 6臺機組定子繞組下端部固有頻率測試結果Fig．3 The results of the natural frequency test of the upper end of the stator winding of 6 units

圖4 定子繞組下端部固定結構示意圖Fig．4 The fixed structure diagram of the lower end of stator winding

通過現場察看及對缺陷現象的分析，認為導致2號機定子線棒端部固有頻率偏低的原因主要有以下兩點：

2.1 端箍與支架、線棒間的連接結構設計不合理，發電電動機定子端部支撐偏薄弱

端箍支架由垂直焊于定子磁壓板上的槽鋼和絕緣塊組成，絕緣塊支撐于槽鋼與端箍之間（如圖4所示）。絕緣塊通過一顆徑向螺栓與槽鋼固定，端箍與下層線棒間隙用浸膠適形墊填充，再用浸膠無緯玻璃絲帶十字交叉進行綁扎，理論上待膠固化后線棒與端箍及定子鐵芯形成一個整體。槽鋼與磁壓板間是點支撐，相當于懸臂梁的結構。如果槽鋼的剛度不夠，在機組運行時受機組本身振動及線棒熱脹冷縮等因素的影響，槽鋼本身極易發生振動，且離支點越遠的部位振動幅值越大。通過對現場缺陷部位進行統計發現，缺陷主要集中于遠離定子鐵芯的那道端箍。絕緣支撐塊是一種脆性材料，用金屬螺栓與槽鋼間采用徑向的螺栓連接，如果連接部位振動較大，絕緣支撐塊的螺紋容易發生磨損，從而使支撐塊與槽鋼間的連接松動，最終導致端箍失去剛性支撐。在檢查中發現部分支撐塊與支架槽鋼間的連接螺栓滑牙。

2.2 線棒端部綁線質量控制不嚴

天荒坪抽水蓄能電站定子端部綁線采用傳統工藝：用浸膠的無緯玻璃絲帶十字交叉拉緊綁扎，環氧樹脂膠固化收縮后玻璃絲帶與端箍、線棒端部形成一個整體，從而提高端部的強度和剛度。在施工過程中需要作業人員與各級驗收人員嚴把質量關：如果玻璃絲和滌綸適形墊浸膠時間過短，可能會存在浸膠不充分；綁扎手工拉緊時玻璃絲帶流膠未補膠；綁扎拉緊力度不夠或打結方式不正確可能會導致固化后綁線與端箍間有間隙。這些都會影響綁扎固化后最終的強度。在固有頻率測量試驗中發現2號機定子上、下端部固有頻率的均值比其他機組明顯偏低且處于95～108Hz的“共振區”，落在“共振區”的線棒數量最多，固有頻率的一致性最差。在后續消缺處理時也發現2號機部分綁扎處的玻璃絲帶及部分適形墊浸膠不充分，導致線棒與端箍間未形成剛性支撐。據調查，在機電安裝階段，2號機的安裝單位與其他5臺機組不一樣，不同的質量控制可能導致安裝質量上的差異。

3 消缺處理

在缺陷原因基本查明后，運行單位對2號機定子上、下端部的端箍全部進行了重新綁扎。在固定結構和綁扎工藝上做了一些改進：

（1）在定子繞組下端部增加一道斜邊支撐，使得線棒間的一體性更好。同時有效縮短了線棒端部引線的自由長度，提高了引線的剛度，進而提高其固有頻率，使其固有頻率能避開倍頻的“共振區”。

（2）改進端箍與支架、支架與絕緣支撐塊的連接方式，并增加支架的數量。在槽鋼支架與定子鐵芯磁壓板間焊一根角鋼作斜向支撐，組成類似桁架結構，提高支架的穩定性和剛度。將支架與絕緣支撐塊的徑向連接螺栓改為沿圓周方向的切向連接，減少支撐塊螺栓松脫的可能性，將運行時端箍所受的力傳遞到支架上。沿端箍圓周方向均勻增加了一倍的支架數量。通過支架的改進，使端箍通過支撐塊和支架與發電電動機的機架形成一個整體。改進后的定子端部固定結構示意圖見圖5。

圖5 定子繞組下端部綁線改進結構示意圖Fig．5 Schematic diagram of the fixed structure of the lower end of the stator windings

（3）施工時嚴格執行制造廠的施工工藝，在綁帶的浸膠量、打結的方式、固化時間等各個環節進行檢查和驗收，確保綁扎工藝的一致性。

2號機定子端部固定結構改進并重新綁扎后，整個定子端部的剛度及一體性都有了較大提高，現場實測定子線棒端部引線的固有頻率，均值與處理前相比有大幅提高，且一致性也有很大提升，基本都高于108Hz，大大改善線棒的運行條件。后續又對其他機組的端箍支架進行增加和改造，有磨損松動的綁扎進行拆除重綁。如圖6所示為2號機定子下端部處理過程及后續運行中固有頻率的變化趨勢。

4 經驗與教訓

針對天荒坪抽水蓄能電站發電電動機定子繞組端部異常磨損松動的缺陷原因分析與處理改造的過程，有以下幾點需總結和反思：

圖6 2號機定子下端部固有頻率測試結果Fig．6 The results of the natural frequency test of the lower end of the stator of the unit 2 processing and after processing

（1）運維人員在定檢和檢修時檢查認真細致，對于細小的異常不放過，在缺陷發現的初期就引起重視，并進行跟蹤和試驗。在缺陷有發展時及時組織相關專業人士進行原因分析和查找，根據缺陷原因提出消缺處理方案，在缺陷成為“事故”之前將之消除。

（2）對高水頭大型抽水蓄能機組而言，制造廠在設計定子端部的綁扎固定方式時應充分考慮其轉速高、工況轉換頻繁特點，選用合適的結構，減小繞組端部引線振動的幅值，并盡可能避開“共振區”。在安裝過程中考慮進行定子繞組端部引線固有頻率和端部整體模態試驗。有條件的機組可以安裝定子繞組端部振動在線檢測裝置，密切監視端部的振動及其變化情況。

（3）應加強基建安裝過程中施工質量檢查、驗收和管理。作業人員在工作中須嚴格按規范進行操作，充分發揮監理及各級驗收人員的作用，減少人為因素造成的施工質量問題。

（4）在改造和消缺處理后，由于運行中交變電磁力、熱應力、工況轉換時的沖擊力等固然存在，定子端部的振動狀態不可能是一成不變的。從圖6也可以看出，2號機在處理結束運行4年和6年后，其定子繞組端部的固有頻率均值又呈下降趨勢。因此運行單位在運維過程中需對定子端部的綁扎固定重點關注：在機組定檢和檢修時，檢查綁扎位置有無磨損和粉末，檢查支架和絕緣支撐塊的固定螺栓，必要時進行端部引線的固有頻率測量，發現異常時及時進行處理。

5 結束語

高水頭、大容量抽水蓄能機組發電電動機定子繞組及端部引線長，啟停頻繁，定子繞組端部的受力情況復雜，制造廠在設計和制造階段應對定子繞組端部的固定方式引起重視，避免其端部的固有頻率落入“共振區”；在安裝施工階段，應嚴格工藝管理，確保安裝質量；在運維階段，應定期對定子繞組端部的固定進行針對性檢查，從各個環節減少定子繞組端部綁扎松動導致主絕緣磨損的可能性，確保設備安全可靠運行。

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