大型水輪發(fā)電機(jī)阻尼軟連接斷裂現(xiàn)象分析及處理

梅林浩

（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

某大型電站發(fā)電機(jī)額定容量為777.8 MW，額定電壓為20 kV，發(fā)電機(jī)定子繞組為三相雙層波繞組，每相5 支路并聯(lián)，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)采用經(jīng)接地變的高電阻方式接地。發(fā)電機(jī)在磁極極靴上裝有阻尼繞組，阻尼繞組的作用是抑制振蕩，幫助自整步，提高穩(wěn)定性，補(bǔ)償由于不對(duì)稱電流產(chǎn)生的負(fù)序分量的電樞反應(yīng)，抑制不對(duì)稱短路時(shí)的過(guò)電壓。阻尼繞組之間通過(guò)阻尼軟連接相連，該發(fā)電機(jī)在機(jī)組檢修期間發(fā)現(xiàn)定子線棒下端部出現(xiàn)多處銅絲搭接放電痕跡。經(jīng)詳細(xì)檢查確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)有48 根上層定子線棒、9 根下層定子線棒端部存在明顯放電痕跡，放電處皆有銅絲附著，放電痕跡大部分位于兩個(gè)斜邊墊塊之間；另有23 個(gè)線棒表面附著有銅絲，無(wú)放電痕跡。

1 阻尼軟連接和線棒檢查

1.1 阻尼軟連接檢查

定子線棒放電現(xiàn)象經(jīng)初步分析為磁極阻尼軟連接銅絲斷裂掉落所致，為明確銅絲來(lái)源，在發(fā)電機(jī)定子隨機(jī)選擇2 處對(duì)稱位置的擋風(fēng)板進(jìn)行拆除，對(duì)拆除擋風(fēng)板處的阻尼繞組和磁極軟連接進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)磁極軟連接基本完好，阻尼繞組表面有磨損現(xiàn)象，為進(jìn)一步確定所有阻尼繞組的狀態(tài)，拆除所有擋風(fēng)板來(lái)查看阻尼軟連接磨損情況。在擋風(fēng)板全部拆除后，對(duì)磁極阻尼軟連接（下風(fēng)洞共160 對(duì)）和磁極間軟連接（80 個(gè)）進(jìn)行了詳細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)63～64 號(hào)磁極阻尼軟連接完全斷裂，有約5 個(gè)阻尼軟連接表面有毛刺磨損現(xiàn)象，其余阻尼軟連接外表面檢查良好；磁極間軟連接檢查發(fā)現(xiàn)有十多處出現(xiàn)少量銅絲斷股，其余外表無(wú)異常。為確定阻尼軟連接接觸處是否有磨損斷股現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)拆下65～66 號(hào)磁極阻尼軟連接進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有磨損毛刺現(xiàn)象。初步檢查表明阻尼軟連接和磁極間軟連接在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到電磁力的作用，導(dǎo)致軟連接表面和連接處出現(xiàn)磨損斷股現(xiàn)象，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致軟連接完全斷裂。為了明確阻尼軟連接的狀態(tài)，隨后拆除發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子所有阻尼軟連接進(jìn)行詳細(xì)檢查，檢查發(fā)現(xiàn)：上端阻尼軟連接35 個(gè)存在磨損的情況，125 個(gè)無(wú)破損；下端阻尼軟連接84 個(gè)存在磨損的情況，76 個(gè)無(wú)破損，其中有2 個(gè)阻尼軟連接完全斷裂。

經(jīng)全面檢查發(fā)現(xiàn)該發(fā)電機(jī)磁極阻尼繞組軟連接存在比較多的磨損情況，特別是有2 處磁極阻尼軟連接完全斷股。通過(guò)比對(duì)線棒間取出來(lái)的銅絲和斷股的軟連接，認(rèn)為發(fā)電機(jī)定子線棒大量放電情況是由阻尼軟連接在機(jī)組運(yùn)行期間斷股致使大量細(xì)銅絲掉落到線棒間隙造成。同時(shí)檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)磁極阻尼軟連接存在較多數(shù)量的磨損，阻尼軟連接表面有毛刺，長(zhǎng)期運(yùn)行很容易發(fā)展成斷股現(xiàn)象。

1.2 定子線棒檢查

該型號(hào)發(fā)電機(jī)定子繞組為三相雙層波繞組，每相5 支路并聯(lián)，該型號(hào)發(fā)電機(jī)定子繞組共510 槽，線棒數(shù)1 020 根，每相分為5 支路，每條支路有線棒68 根，上、下層各34 根，采用波繞組方式接線。發(fā)電機(jī)機(jī)端相電壓11.54 kV，每根線棒感應(yīng)的電壓為0.17 kV。線棒的電位與其在支路中所處的位置成線性關(guān)系，越靠近機(jī)端電位越高。從中性點(diǎn)開始，每條支路線棒電壓依次為0.17 kV、2×0.17 kV……67×0.17 kV、11.54 kV。

（1）部分線棒銅絲搭接放電痕跡（圖1）

圖1 上層定子線棒銅絲搭接放電

（2）定子線棒放電點(diǎn)電位分布

表1 線棒放電點(diǎn)運(yùn)行電位分布區(qū)間

圖2 放電點(diǎn)與電位的關(guān)系

（3）分析總結(jié)

上下層放電線棒運(yùn)行電位主要在3 kV 及以上，上層線棒呈遞增趨勢(shì)，3 kV 及以上運(yùn)行電位放電占91.84%，6 kV 及以上運(yùn)行電位放電占69.38%。下層線棒分布差距較大，3 kV 及以上運(yùn)行電位放電占88.89%，9 kV 及以上運(yùn)行電位放電占55.44%。有銅絲未放電點(diǎn)的電位分布呈遞減趨勢(shì)，3 kV 及以下運(yùn)行電位占34.78%，6 kV 及以下運(yùn)行電位占65.21%。

在線棒表面有銅絲存在的情況下，線棒放電的幾率與線棒所處電位成正相關(guān)，線棒所處電位越高越容易產(chǎn)生放電現(xiàn)象。線棒電位從3 kV 開始容易產(chǎn)生放電，且主要集中在高電位。

2 阻尼環(huán)軟連接磨損斷股原因

從軟連接損傷現(xiàn)象看，表面無(wú)過(guò)熱跡象，可以排除過(guò)電流發(fā)熱因素；部分軟連接變形嚴(yán)重甚至斷股說(shuō)明存在破壞性驅(qū)動(dòng)力；軟連接變形的方向朝向軸向中部，說(shuō)明破壞性驅(qū)動(dòng)力的方向指向軸向中部。根據(jù)電磁場(chǎng)理論，可以初步判定這個(gè)作用力是阻尼環(huán)中的電流在極間漏磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的安培力。此力的大小取決于兩個(gè)因素：阻尼環(huán)的電流，以及極間漏磁場(chǎng)的大小和方向。據(jù)此推測(cè)易造成電磁沖擊力的工況為發(fā)電機(jī)突然短路、非同期合閘時(shí)系統(tǒng)遭受瞬態(tài)沖擊，進(jìn)而使磁鏈突增、漏磁突增、阻尼電流增大，定子電流也突增。在這種情況下將會(huì)導(dǎo)致阻尼電動(dòng)力急劇增大。

阻尼環(huán)軟連接在機(jī)械力及電動(dòng)力的作用下變形拉直后，運(yùn)行過(guò)程中受震動(dòng)、風(fēng)力作用，易形成上下片間、每片層間摩擦，從而造成銅絲疲勞損壞。機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，阻尼環(huán)軟連接會(huì)受到電制動(dòng)、瞬態(tài)兩相短路、穩(wěn)態(tài)不對(duì)稱負(fù)載等工況下因沖擊電流而產(chǎn)生的電磁力作用。通過(guò)有限元計(jì)算，該型號(hào)機(jī)組在三種運(yùn)行工況下，阻尼端環(huán)電流及阻尼端環(huán)軸向電磁力情況如表2 所示。

表2 機(jī)組在三種運(yùn)行工況下，阻尼端環(huán)電流及阻尼端環(huán)軸向電磁力

采用瞬態(tài)電磁場(chǎng)有限元仿真分析不同典型工況下阻尼環(huán)極間電磁力：

圖3 場(chǎng)路耦合計(jì)算模型

仿真計(jì)算表明，很可能是在長(zhǎng)期的運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)電機(jī)-系統(tǒng)線路上出現(xiàn)多次單相、兩相突然短路、非同期合閘等沖擊，發(fā)電機(jī)受到?jīng)_擊時(shí)，定子突增的沖擊電流會(huì)在阻尼環(huán)中感應(yīng)出很大的瞬時(shí)電流，在端環(huán)處的漏磁場(chǎng)也將極大增加，兩者的作用就會(huì)產(chǎn)生很大的軸向電動(dòng)力，阻尼環(huán)連接處為懸臂結(jié)構(gòu)，承受離心力問(wèn)題不大，但對(duì)于沖擊電磁力則剛性不足，容易發(fā)生變形問(wèn)題。

3 處理過(guò)程

3.1 線棒間銅絲清理和放電點(diǎn)處理

使用鑷子等工具將線棒間的銅絲夾出，存在放電的地方用記號(hào)筆標(biāo)記出來(lái)以便處理。待銅絲全部取出后，使用砂紙細(xì)細(xì)打磨放電處，將放電產(chǎn)生的白色氧化層打磨掉，再使用專用的清洗液對(duì)發(fā)電機(jī)上層下層線棒進(jìn)行清洗，并用高壓空氣吹，將線棒間殘留的銅絲和其他雜物清除掉。最后涂上紅色絕緣漆。

圖4 線棒放電點(diǎn) 打磨后的放電點(diǎn) 涂刷絕緣漆

3.2 更換阻尼軟連接

通過(guò)重新設(shè)計(jì)阻尼軟連接，使之在滿足原有功能需求的前提下，提高抗疲勞抗磨損的能力，杜絕運(yùn)行情況下銅絲掉落到發(fā)電機(jī)內(nèi)部，故決定采用帶止口的新型軟銅片軟連接處理。該設(shè)計(jì)采用有限元法，運(yùn)用結(jié)構(gòu)分析軟件 ANSYS 程序，對(duì)薄銅疊片式阻尼環(huán)軟連接進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算分析，考核其強(qiáng)度水平。

（1）疲勞分析

疲勞分析技術(shù)路線基于ASME 規(guī)范，采用Miner累積損傷準(zhǔn)則，進(jìn)行疲勞壽命分析。

D=∑ni/Ni

Miner 累積損傷系數(shù)計(jì)算公式如下：

其中：ni為在一個(gè)應(yīng)力變化幅度（或者事件）范圍內(nèi)的載荷循環(huán)次數(shù)；

Ni為在一個(gè)應(yīng)力變化幅度（或者事件）范圍內(nèi)的需用載荷循環(huán)次數(shù)，是通過(guò)S-N曲線獲得的；D為累積損傷系數(shù)。

如果在所計(jì)算的載荷循環(huán)次數(shù)內(nèi)，累積損傷系數(shù)D不大于1，那么在這些所計(jì)算的載荷循環(huán)內(nèi)，疲勞壽命是安全的。

表3 載荷循環(huán)次數(shù)計(jì)算

此處將材料持久極限作為1 000 000 次循環(huán)應(yīng)力點(diǎn)為安全保守算法。

考慮 99%樣本成活率和有限元計(jì)算規(guī)范：即交變應(yīng)力乘以50%作S—N曲線的對(duì)應(yīng)點(diǎn)修正。根據(jù)疲勞計(jì)算理論：SMN=C(常數(shù))，計(jì)算得到：M=8.53

在額定工況，考慮平均應(yīng)力，采用Goodman 修正進(jìn)行疲勞計(jì)算得到：薄銅疊片式阻尼環(huán)軟連接的屈服極限為150 MPa，材料強(qiáng)度極限為200 MPa，根據(jù)力學(xué)理論，薄銅疊片式阻尼環(huán)軟連接材料交變循環(huán)的S—N曲線對(duì)應(yīng)點(diǎn)近似如下：

N≈77 600（啟機(jī)—額定—停機(jī)循環(huán)次數(shù)）

在飛逸工況，采用Gerber 修正進(jìn)行疲勞計(jì)算得到：

N≈26（允許飛逸次數(shù)）

表4 薄銅片式阻尼軟連接材料疲勞壽命

疲勞損傷因子計(jì)算假定：50 年內(nèi)每天啟停機(jī)1次、飛逸2 次計(jì)算。

（2）分析總結(jié)

從計(jì)算結(jié)果可以看出：薄銅疊片式阻尼環(huán)軟連接的應(yīng)力明顯偏高（飛逸工況下，線性計(jì)算時(shí)已大于材料強(qiáng)度極限）明顯進(jìn)入了塑型屈服段，因此阻尼環(huán)軟連接的強(qiáng)度水平不能滿足剛強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；但經(jīng)過(guò)材料非線性計(jì)算后發(fā)現(xiàn)：阻尼環(huán)軟連接設(shè)計(jì)50 年運(yùn)行，其疲勞損傷程度為0.313，即阻尼環(huán)軟連接壽命能達(dá)到155 年。

4 總結(jié)

由于電磁力和離心力的作用，阻尼軟連接會(huì)逐漸磨損表面起毛刺，嚴(yán)重的會(huì)斷股，進(jìn)而使得大量銅絲散落在線棒中導(dǎo)致線棒放電，對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重隱患，所以在機(jī)組檢修期間應(yīng)該檢查其阻尼軟連接的狀態(tài)，以便在阻尼軟連接形成斷股前將其更換。