發電機定子鐵心穿心螺桿絕緣工藝改進及應用

郭玉恒，謝 林

（二灘水力發電廠，四川 攀枝花 617000）

根據市場調查，采用噴涂絕緣漆或分段絕緣套筒的穿心螺桿，由于運輸過程中對絕緣漆面的損傷以及其與鐵心之間形成的空間未徹底密閉，在較大的電磁力矩往復作用下和被填充的油污、鐵粉形成的潮濕環境及強腐蝕性物質空間內，絕緣漆易損傷，為電回路的形成提供條件，可能造成穿心螺桿疲勞斷裂、受熱熔斷和鐵心燒熔等現象[1]，嚴重危及機組安全穩定運行。本文主要從穿心螺桿的作用和結構，分析了噴涂絕緣漆脫落的原因及帶來的危害，提出了采用環氧樹脂材料全通長套裝結構絕緣套筒改進措施，并在二灘水電站2號機組改造中得以應用。

1 穿心螺桿作用

發電機定子鐵心一般采用0.3～0.5 mm的無取向硅鋼片疊壓而成，為了確保片間壓力滿足一定壓緊要求，保證機組在經過長期運行后鐵心不會松動，工程中主要采用背部拉緊螺桿方式和穿心螺桿方式，給鐵心施加一定的壓力。即穿心螺桿的作用是在定子鐵心中向沖片施加壓力，使發電機的定子鐵心受到軸向的壓力，防止鐵心在感應電磁轉矩和定轉子間的徑向交變磁拉力的作用下導致鐵心疊片振動而造成線棒絕緣磨損破壞和疊片損壞，從而造成發電機事故。

2 穿心螺桿結構

根據鐵心的高度及拉緊力要求，選用具有一定允許應力和屈服力的鋼材制作而成。穿心螺桿主要由雙頭螺桿、壓力擋圈、碟簧、螺帽和絕緣墊圈組成。在螺桿上端通過碟簧與壓力擋圈配合來保證彈性壓緊效果并實現螺桿預壓防松。正常情況下，螺桿與定子機座下環板、上下齒壓板、定子鐵心之間均不直接接觸。下端部通過絕緣墊圈實現與機座下環板隔離；中部通過噴涂絕緣漆或安裝分段絕緣套筒實現與定子鐵心隔離；上端部通過碟簧、壓力擋圈、絕緣墊圈實現與上齒壓板隔離。

3 絕緣損傷原因分析及風險

綜上所述，正常運行情況下，穿心螺桿不與其他部件發生導通接觸，屬于對地絕緣體。但由于采用噴涂絕緣漆或分段絕緣套筒的絕緣方式未把其與鐵心之間形成的空間徹底密閉，機組在運行過程中產生的油污、鐵粉等異物易滯留在此空間內長期積累，空間環境變得潮濕、腐蝕性強[2]。隨著運行時間的推移，穿心螺桿上噴涂的絕緣漆易脫落。在長期積累的磁性粉塵傳導媒介下，為穿心螺桿、鐵心、定位筋電回路的形成提供了條件。可能導致鐵心燒熔和螺桿熔斷，造成發電機事故地發生。事故的先兆無法提前通過機組常規的檢修維護和狀態監測[3]發現。

4 改進措施

通過上述作用、結構和原因分析，為防止上述現象和事故地發生，提出在穿心螺桿上套一層環氧樹脂材料的絕緣套筒，這樣既可以起到通長絕緣的作用，又可以起到通長密閉的作用，且在一定程度上起到加固穿心螺桿強度的作用。但受鐵心疊片施工制約[4]，全通長絕緣套筒由絕緣擋塊和套筒組成，按鐵心疊裝高度分成幾段，同時為確保絕緣擋塊與套筒在鐵心疊壓過程不被擠壓破裂和最終壓緊后能形成一個獨立密閉空間，絕緣擋塊的中部內徑略小于套筒的內徑，上下端頭的內徑略大于套筒外徑，中部和上下端頭形成錯臺，上下端頭與套筒的搭接長度應根據鐵心疊片的質量和最終壓緊力等因數去考慮。絕緣擋塊和套筒內徑略大于穿心螺桿外徑。

5 應用

二灘水電站2號水輪發電機組于1999年9月投產發電。2007年首次發現定子鐵心局部變形、松動等缺陷。2015年6月啟動了2號機組定子改造項目，由阿爾斯通（中國）有限公司承擔二灘水電站2號發電機定子改造工作。在實施改造過程中，阿爾斯通將原有定子鐵心背部拉緊結構改為了穿心螺桿結構。

為杜絕穿心螺桿絕緣漆脫落或損傷后引起絕緣降低的隱患，有效解決穿心螺桿絕緣防護問題，二灘電廠與阿爾斯通達成共識，決定對穿心螺桿表面不采用涂刷絕緣漆的結構，在全通長范圍內采用分段絕緣擋塊串聯套筒形成全螺桿防護的絕緣結構，其中絕緣擋塊與穿心螺桿配合的有效內徑為20.8±0.1 mm、與套筒配合的有效內徑為24.5±0.1 mm，套筒外徑為24±0.3 mm、內徑為21±0.15 mm，穿心螺桿外徑為φ20（絕緣擋塊與套筒裝配示意見圖1）。單根穿心螺桿使用絕緣套筒共15段（套筒15個、絕緣擋塊14個），與共55段的定子鐵心對應關系為：除1～2段鐵心對應第1根絕緣套筒（長度195 mm）、第55段鐵心對應第15根絕緣套筒（長度145 mm）外，從第3段鐵心開始，每4段鐵心對應1根絕緣套筒（長度188 mm），共13根，且絕緣擋塊與套筒裝配時設置了8 mm長的搭接段，長度為188 mm的套筒與絕緣擋塊裝配后理論配合長度在203～211 mm區間內。磁化試驗完成并最終壓緊后，在鐵心槽底部位測量定子鐵心高度，最大值為2 884 mm、最小值為2 882 mm。檢查上述2處鐵心位置絕緣擋塊與套筒配合情況，單對絕緣擋塊與套筒的長度在204.5～208.5 mm范圍內，若此長度小于203 mm，即絕緣擋塊與套筒產生了擠壓破裂；若此長度大于211 mm，即絕緣擋塊與套筒間存在間隙，不能達到螺桿整體絕緣防護。目前，2號機定子改造疊片工作已完成，最終壓緊后測量數據表明，未出現擠壓破裂現象，起到了整體防護作用，此方式和結構可行和可靠。

圖1 絕緣擋塊與套筒裝配示意圖

6 結論

通過穿心螺桿的作用和結構對采用噴涂絕緣漆或分段絕緣套筒的絕緣結構，在運行中可能會出現穿心螺桿熔斷、鐵心燒熔等危害的原因進行了分析，提出了采用環氧樹脂材料全通長套裝結構絕緣套筒改進措施，并在二灘水電站2號發電機定子改造中付諸實施，此措施可行和可靠。

此改進措施看似簡單，但發揮的作用是巨大的，能延長機組運行壽命，降低維護成本和減少維護工作量，減輕運行單位對隱蔽部位的擔憂。希望此改進措施能為設計院、制造廠家和運行單位提供借鑒。