抽水蓄能機組磁極引線頭的防斷裂措施

張建偉 羅功富 王世建 湯 琴

東方電氣集團東方電機有限公司 四川德陽 618000

1 概述

抽水蓄能電站是電力系統最可靠、最經濟、容量最大、壽命周期最長、技術最成熟的儲能裝置，抽蓄機組啟動迅速，運行靈活、可靠，可承擔電網的調峰填谷、調頻調相、事故備用及黑啟動等功能。因此抽水蓄能電站可以使電網總體燃料得以節約，降低電網成本，提高電網的安全和可靠性。隨著新能源的大規模開發，抽蓄機組將為破解棄風、棄光困局，更好地消納清潔能源提供更有力的支撐。

相較于傳統水電機組，抽蓄機組運行工況更為復雜，尤其是機組啟動頻繁，這對機組轉動部件的可靠性提出了更高的要求。因此，在高轉速、大容量的抽蓄機組設計中，轉動部件的靜強度及疲勞壽命是需要重點關注的。在機組的發電電動機轉子部分，轉子支架、磁軛、磁極等大部件的強度及疲勞壽命計算較為成熟，總能在滿足要求的范圍內設計出合理的結構，因而此類大部件出現疲勞斷裂的概率并不高。相對而言，轉子上的一些小部件，例如，阻尼繞組部分的連接片、磁極極間連接、線圈壓塊螺栓及各處的絕緣板等部件，更容易發生斷裂失效。這些小部件斷裂失效后造成的危害反而比大部件產生裂紋造成的危害更大，因為大部件的裂紋往往發生于局部位置，局部裂紋的產生短期內不會造成結構件的失效，但是小部件產生裂紋后，裂紋擴展較快，部件失效后容易脫落。機組高速運轉時脫落部件飛出，容易對定子鐵心造成碰傷、劃傷，甚至發生定子掃膛等現象。

在轉子部分小部件的斷裂失效問題中，磁極引線頭的斷裂較為常見。磁極引線頭產生裂紋或者斷裂后，一般需要更換備品磁極，原磁極則需要返廠進行修理。返廠磁極需要拆除磁極圍帶、解列線圈繞組線匝，更換磁極引線頭所在的線匝后再重新裝配磁極各部件。可見對于磁極引線頭的修復，需要的工期較長且成本很高。因此在機組設計、生產制造及安裝的各個環節采取有效措施，以防止磁極引線頭在運行過程中產生裂紋以致斷裂失效，是設備制造廠家和電站業主方都很關心的問題。

2 磁極引線頭結構形式及裂紋產生情況

抽蓄機組的所有磁極都要預留出引線頭，相鄰磁極的引線頭通過極間連接線連為一體，最后通過兩根主引出線引出，這樣所有磁極的線圈繞組組成了一個完整的電流回路。磁極引線頭一般從線圈側向或者軸向引出，根據線圈繞制方式的不同，引線頭可在線圈端部同側引出，也可在兩側引出。目前的高轉速抽蓄機組以軸向引出線為主。圖1為典型的磁極引線頭的極間連接方式，圖2為極間連接各部件的示意圖。磁極引線頭高于磁極線圈端面沿軸向引出后彎曲90°，通過U型極間連接銅排與相鄰磁極的引線頭連接，二者通過螺栓把合固定，U型極間連接銅排則通過固定在磁軛上的線夾進行固定。

圖1 磁極引線頭的極間連接方式

圖2 極間連接各主要部件

磁極引線頭產生裂紋的位置多數位于倒角處，裂紋通常由倒角一側產生，沿引線頭寬度方向向中間擴展，裂紋擴展時是基本平行于寬度方向的。圖3所示為引線頭倒角產生裂紋的情況，圖4和圖5分別為倒角裂紋外側及內側的局部放大圖。可以看出，該裂紋為貫穿性裂紋，裂紋長度實測值43mm，超過了線頭寬度的1/3。裂紋繼續擴展會導致引線頭從倒角處完全斷開，更嚴重的是由于裂紋的存在會導致引線頭局部電流密度過大，倒角處局部溫度過高會使線頭熔斷(如圖6所示)。熔化物拋射、滴落會對其他部件造成更大的危害，因此引線頭裂紋一旦發生是需要立刻處理的，不允許機組帶病運行。

圖3 引線頭裂紋示意圖 (整體)

圖4 引線頭裂紋示意圖 (倒角外側)

圖5 引線頭裂紋示意圖 (倒角內側)

圖6 引線頭熔斷 示意圖

3 引線頭防斷裂措施

磁極引線頭部件雖小，但是產生裂紋失效后造成的損失卻很大。抽蓄機組運行工況轉換頻繁、啟停機次數多是客觀需求，因此從機組開始設計直至機組投運后的各個階段，都有必要采取相應的措施來防止引線頭產生裂紋以致斷裂失效，主要措施如下：

3.1 合理的成型工藝

抽蓄機組設計時，磁極引線材料多與線圈繞組取為相同的材料，以硬銅板最為常見。在生產制造磁極引線頭時，引線頭倒角的成型工藝對倒角處的疲勞壽命有重大影響。某額定轉速500r/min、300MW容量的抽蓄機組在投運后兩年左右的時間內就出現了引線頭斷裂事故，停機檢查發現斷裂引線頭未按圖紙要求進行倒角，而是直接彎成90°，并且在發現彎型處的結構表面存在材料褶皺隆起時，直接進行了打磨光滑處理。這種成型及表面處理方式，嚴重削弱了倒角處材料的抗疲勞強度，一是因為直接直角彎型導致局部殘余應力過大，疊加機組運行時的應力后，倒角位置應力水平急劇上升，進而使得應力幅值過高，因機組啟停頻繁而引起疲勞裂紋的產生；二是局部打磨減薄了倒角處材料的厚度，進一步加大了此處的應力集中，根據金相檢查，也發現打磨后材料表面出現了微裂紋，機組運行時裂紋從微裂紋處開始萌生擴展，并最終導致結構斷裂。

類似的問題同樣出現在某額定轉速300r/min、300MW容量的抽蓄機組中，該機組磁極引線頭彎型倒角設計值為R8mm，實際彎型倒角僅為R4mm及以下。機組引線頭斷裂后，磁極返廠維修，廠家根據事故情況改進了倒角成型模具，嚴格按照圖紙設計尺寸加工，并對成品進行表面質量檢查，合格后產品才可交付。按照新工藝生產的引線頭進行了疲勞壽命試驗，試驗結果表明引線頭的疲勞壽命得到了大幅度提高，完全滿足機組設計使用年限的要求。

3.2 優良的結構設計

磁極引線部分的裝配，涉及磁軛和磁極兩大部件，磁極與磁軛一般通過直T尾結構(或者斜T尾結構)連接。極間連接銅排固定在磁軛上，引線頭是磁極線圈的一部分，二者連接后的受力受到磁軛、磁極變形的影響。以最近的300～400MW容量之間的抽蓄機組為例，當機組轉速為428.6r/min及500r/min時，磁軛多選用厚鋼板疊裝而成，此種磁軛整體剛性較好，有利于機組的運行穩定性；當機組轉速在375r/min及以下時，受限于鋼材鍛件的尺寸，磁軛已不能采用厚鋼板疊裝，而是采用傳統的磁軛沖片疊裝而成。這兩種磁軛形式存在整體剛度上的差異，因此對應的極間連接銅排厚度、結構形式，以及引線頭高度需要進行合理的選擇，即由于磁軛、磁極的結構剛度有差異，極間連接銅排和引線頭需要進行合理的剛度匹配。如果剛度匹配不合理，則極間連接銅排或者引線頭容易出現局部高應力，危及部件的使用壽命。此時需要根據具體的機組結構形式，對極間連接裝配部分進行計算分析，以得到最優的部件結構形式，包括引線頭高度、極間連接是否需要進行變厚度設計、各部分的合適厚度以及厚度變化的最優位置等，該部分計算通常由有限元軟件計算完成。

大的結構尺寸確定后，針對引線頭倒角斷裂問題，需要對倒角半徑尺寸進行限定。總體來說，小的倒角尺寸易于加工成型，缺點是殘余應力高，表面質量不易控制；大的倒角尺寸過渡平緩，表面質量也較高，但是成型精度略差。根據對多個抽蓄機組磁極引線頭的計算結果表明，當彎型倒角尺寸不小于銅板厚度尺寸時，即可獲得比較良好的應力狀態，當倒角尺寸小于厚度尺寸時，倒角處應力將隨著倒角半徑的減小而急劇增加。實際機組設計時，倒角半徑尺寸不會小于銅板厚度尺寸，因此只要嚴格按照設計尺寸加工即可保證結構的安全性。但是為了減小殘余應力和倒角表面質量的影響，現在廠家設計倒角尺寸時，通常要求倒角半徑不小于2倍銅板厚度尺寸。

倒角半徑尺寸上限則需要根據引線頭高度來限定。引線頭高度不同，最大應力出現的位置也會變化，理想狀態是最大應力出現在引線頭的根部或者稍靠上的直板段，不宜出現在倒角圓弧過渡區域以避免疊加該區域的殘余應力。圖7和圖8為某額定轉速500r/min、350MW容量的抽蓄機組設計時，不同高度引線頭的應力分布示意圖。圖7中引線頭最大應力出現在根部，圖8中引線頭最大應力則出現在倒角圓弧與引線頭直板段相接的位置，該位置為殘余應力的影響區域，因此機組最終的引線頭高度采用了圖7中模型的高度。

當最大應力出現在引線頭根部時，即使應力值比倒角處應力值大，根部仍然具有較好的抗疲勞性能，這是因為引線頭根部的銅板未經加工，不存在殘余應力，并且該部位處于線圈的線匝疊壓邊緣，應力過大時線圈可能出現開匝的情況(如圖9所示)。出現開匝后，引線頭根部應力得到釋放，因此不容易出現裂紋，當然線圈開匝也是需要及時處理的情況，只是其危害程度要遠小于引線頭斷裂的情況。

圖7 引線頭最大應力位于根部

圖8 引線頭最大應力位于倒角圓弧過渡處

圖9 線圈開匝示意圖

3.3 科學的裝配過程

機組安裝時，各大小部件有序分批裝配。對于極間連接部分的裝配，由于前期磁軛打鍵等措施有可能使磁軛、磁極產生較大的相對位移，因此即使部件加工精度滿足設計要求，仍然有可能在極間連接與引線頭通過螺栓連接時，引起較大的裝配應力，該應力甚至可能超過正常設計載荷引起的應力，需要引起足夠的重視。消除該隱患的措施可以采用現場適配鉆孔的方法，即極間連接銅排與引線頭裝配前只加工一個部件的螺栓連接光孔，另外一個部件的光孔則在裝配時根據實際位置現場適配鉆孔。該措施不但對防止引線頭產生裂紋有效，對防止線圈開匝同樣有效。例如，某巨型混流式機組極間連接裝配時，因與引線頭光孔錯位，強行連接時直接將線圈拉開匝，因此后續類似的巨型機組安裝時，極間連接與引線頭光孔均為現場適配鉆孔。

3.4 機組定期檢修

抽蓄機組啟停機頻繁、運行工況復雜多變，因此機組定期檢修時對轉子上的大小部件應予以重點關注。對于磁極引線頭，如果發現結構變形較大、表面出現漆皮脫落等現象時，需要對倒角部位進行詳細檢測，發現微小起始裂紋時就應及時更換備品磁極，以避免引線裂紋擴展或者斷裂給機組帶來更大的危害。

結語

根據筆者多年的抽蓄機組設計計算經驗，結合電站運行中出現的問題，對磁極引線頭的防斷裂措施做了一些研究總結。在機組的設計、加工制造、安裝運行等各個環節，采取相應的措施，可大幅提高磁極引線的疲勞壽命。隨著抽蓄電站建設步伐的加快，更高轉速、更大容量的機組，以及部分變轉速運行的機組對轉動部件的疲勞壽命有了更高的要求，機組設計難度明顯增大，本文提到的一些措施可作為機組設計時的借鑒和參考。