發電機轉子磁極線圈層間裂縫處理技術的研究

周占文

（廣東水電云南投資有限公司，云南 紅河 661100）

0 前言

某水電站位于云南省境內，工程以發電為主，出線共兩條，電壓等級110 kV，通過某變電站和某變電站接入云南電網系統。電廠裝機容量150 MW（3×50 MW）、水庫總庫容2.65億立方米，屬日調節水庫。年設計發電量為7億多千瓦時三臺機組全部發電。發電機轉子由轉子鐵芯（或磁極、磁扼）繞組、護環、中心環、滑環、風扇及轉軸等部件組成。線圈纏繞在磁極上通上相對的直流電使磁極產生對應的磁場通過轉子與定子的相對旋轉運動完成動能與電能的能量轉換。

1 故障情況

某水電站三臺機組按照水電站設備檢修導則和實際運行情況，開展計劃性檢修工作，對機電設備進行檢修、消缺維護、技術改造，更換易損部件，確保設備安全穩定運行。按照電力設備預防性試驗規程規定，開展設備預防性試驗和定檢工作，強化設備技術管理，電站機電設備整體運行穩定。

2019 年度依據設備檢修導則規定和設備實際情況，組織實施1 號機組C 級常規性檢修工作，在檢修期間對發電機轉子進行常規性檢查時，發現轉子的50 個磁極中有18 個磁極線圈出線端層間存在不同程度的裂縫現象，開裂的磁極占總數的36.0%。針對磁極開裂情況統計分析，發現開裂部位從磁極引出線附近局部開裂到磁極端部貫穿性開裂，開裂程度每個磁極情況各有不同，靠近磁軛側開裂情況最為嚴重；同時發現開裂的磁極分布在轉子整個圓周內；開裂的最嚴重的磁極裂縫厚度為1.85 mm；裂縫長度也各有不同，最長的裂縫貫穿整個磁極端面。

2 磁極開裂檢查

1）鑒于檢修期發現的轉子磁極開裂情況，通過查閱歷史預防性試驗報告、設備圖紙、設計文件等對磁極開裂的情況進行原因分析。

2）核實、記錄所有待處理磁極的各項技術參數，便于處理后進行數據對比、分析。在拆卸磁極時發現部分磁極鍵有松動情況，對發現開裂的磁極逐個進行檢查，發現鎖定磁極壓板螺栓存在不同程度的松動情況，個別螺絲的螺牙有損壞現象。

3）檢查發現壓板沉頭螺栓規格型號不一，有個別螺栓較短；無法達到設計要求的預緊力，且螺栓為沉頭螺栓，沒有防松動措施。

4）檢查發現部分磁極壓板與磁極線圈的粘接面開裂，有裂縫；磁極壓板和線圈匝間絕緣粘接膠個別出現脆化的情況。

3 原因分析

通過對現場檢查發現的各種現象進行分析，測量得出的數據進行分析對比，查閱歷年檢修維護試驗報告，咨詢廠家技術人員，咨詢第三方試驗單位等，綜合分析得出以下結論：

1）從磁極拆機檢查發現的磁極壓塊沉頭螺栓規格型號不一，開裂嚴重的磁極壓塊緊固螺栓太短，且有螺栓已出現滑絲、松動等情況，分析得出固定磁極壓塊所使用的螺栓存在未按設計要求裝配情況，預緊力不夠引起磁極層間開裂；因常規性C 級以下檢修期間磁極壓板鎖定螺栓緊固程度無法進行檢查，磁極壓板螺栓松動后因未及時發現，導致長時間處于高速運轉和振動情況下，加劇了磁極開裂。

2）通過檢查發現磁極壓塊的固定螺栓為M8*20 mm 的沉頭螺絲，螺絲沒有防松動措施，機組運行期間因磁拉力、水力、機械力等不平衡容易引起振動，為螺絲的松動提供了有利條件，最終導致磁極的開裂。

3）從剔除、清理開裂磁極壓板粘接部件時發現的磁極壓板與磁極線圈粘接部位局部粘接劑顏色對比分析，較未開裂的區域存在較為明顯的色差；通過現場調試各種配合比下的粘接劑（環氧樹脂膠），進一步分析得出，磁極壓板（環氧樹脂板）與磁極線圈間粘接劑（環氧樹脂膠）配合比不同，導致色差明顯，且粘接力不同。經查閱機組安裝時期技術資料、施工記錄等，了解到本案例中的機組投產工期緊張，磁極制造周期短，存在磁極壓板粘接后熱壓工藝未達標的可能。

4）機組運行期間轉子磁極處于磁場和高溫環境下，對粘接材料、緊固螺栓、設備等均存在不同程度影響，機組運行時由于轉子磁極高速旋轉，受到不平衡的機械應力、電磁拉力，加劇了磁極壓板開裂。

4 處理方法

根據現場檢查的結果，從實際現象入手，依據發電機制造工藝，結合檢修工期、現場處理的技術條件等綜合因素，采取如下某電站磁極開裂特殊處理技術方案，其中主要技術為：

1）對開裂嚴重的磁極采用拆除全面解體，將拆除磁極壓板，吊出磁極鐵芯，按照設計技術要求進行檢查；將解體的磁極線圈利用專用電機清洗劑清洗，清除污垢；

2）剔除開裂磁極的壓板與線圈各層間的粘接劑，按照制造工藝對結合面進行徹底地打磨、清理；

3）按照同型號磁極制造工藝，采用耐高溫高強度的650 低分子聚酰胺樹脂和E44 環氧樹脂粘接材料，嚴格控制粘接劑和固化劑配合比，配制滿足技術要求的絕緣粘接劑；在磁極壓板與磁極線圈之間設置厚度為0.1 mm 的環氧玻璃坯布，粘接劑完全滲透環氧玻璃坯布后通過粘接劑的固化原理起到粘接作用，同時起到磁極壓板和磁極線圈之間的絕緣隔離作用。引起開裂的主要原因為粘接效果不佳引起，在轉子高速旋轉時向外的離心力作用導致開裂，離心力原理如下所示：

其中m表示轉子整體質量，單位是kg，v表示轉子旋轉速度，單位m/s，r表示轉子的旋轉半徑，單位是m，F則是離心力。

為使轉子磁極在轉動期間克服離心力F的作用不發生磁極壓板開裂，其粘接力要大于離心力，同時還要考慮現場振動的附加作用，為此，選擇高分子高強度粘結劑是解決開裂的關鍵。

4）按照新磁極裝配工藝組裝，裝配完成后利用專用熱壓工裝對磁極壓板與磁極線圈進行熱壓、固化，通過無線紅外溫控設備嚴密檢測磁極熱壓環境，通過控制熱壓工裝的壓緊力和固化期間的溫度，確保絕緣粘接劑粘接、固化達到預期效果；

5）改進磁極壓板的壓塊固定螺絲，采用具有防松動措施的高強度沉頭螺絲。安裝前清洗螺孔及螺牙，確保螺絲緊固咬合到位。根據高強度螺栓預緊力及扭矩關系如公式（2），通過扭矩扳手嚴格按照對應關系進行緊固，確保壓塊螺絲緊固到位；

式中：K為扭矩系數此數據由高強度螺栓制造商提供，通常k=0.11-0.15；P為高強度螺栓預拉力（單位：kN）；D為高強度螺栓直徑（單位：mm）。

6）磁極裝配完成后，全面清理，按出廠要求對每個磁極進行絕緣電阻、直流電阻、交流阻抗等檢測。同時為確保轉子的動平衡穩定，對處理后的磁極進行重量檢測，確保磁極重量偏差在范圍內。

7）對機組其他磁極進行全面檢查，利用內窺鏡對磁極進行清掃，緊固各連接磁極的螺栓；按照預防性試驗規程，對發電機定、轉子開展預防性試驗，利用各項試驗檢驗處理情況及機組整體情況。

發電機磁極開裂缺陷處理后，嚴格按照設備預防性試驗規程，對處理情況進行檢測，確保處理后的設備各項試驗滿足規程要求。

5 結束語

發電機作為水力發電的主要設備，其安全穩定運行的重要性顯而易見。某水電站發電機磁極開裂處理案例中，通過采取的合理的技術手段，改進磁極壓板粘接工藝，選擇合適的粘接材料；改進磁極壓板緊固螺栓規格，嚴格執行熱壓工藝，解決了設備運行期間出現的實際問題，同時在水電站設備技術管理方面提出了不同的思考，為同類型技術問題提供了參考。