一種水輪發電機定子槽楔更換優化方法

易強 肖智斌

摘 要：水輪發電機組運行期間，定子槽楔出現松動將會減弱其對定子線棒的固定作用，加劇定子線棒振動，長期運行將破壞線棒的主絕緣體，造成磨損與放電，影響發電機安全運行，因而槽楔的松動檢測對發電機正常運行具有重要意義。通過分析槽楔松緊度檢查方法，根據電廠實際情況選擇了銅錘敲擊法。在現有槽楔結構基礎上，提出了一種發電機定子槽楔更換優化方法，并進行了現場實測，驗證了該方法的正確性和可行性。

關鍵詞：定子槽楔；松動檢查；槽楔更換；優化方法

中圖分類號：TM311/TV738 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

水輪發電機是電力系統的重要組成部分，其檢修工作非要重要。定子槽楔松緊度檢查與固定是發電機檢修過程中的重要環節。定子槽楔是用來對定子槽內的定子線棒進行固定的結構[1]。定子線棒運行時在交變電磁力的作用下發生振動導致槽楔板松動或掉落，進而破壞到發電機主絕緣，并在線棒表面產生局部放電，造成發電機運行安全事故。相關案例證實，大部分高壓電機在三年運行中存在超出一半楔塊丟失現象，為此需要對楔塊進行定期檢測[2]。電氣與電子工程師協會（IEEE）調查發現，被調查的497種發電定子繞組中，超出43%的繞組都會產生運行故障，而繞組松動問題導致的故障占58%。本文以湖南澧水江埡水電站3#機組的定子槽楔為研究對象。在機組大修過程中重點對定子槽楔進行了檢查。

1 發電機定子槽楔結構松動危害性

發電機定子槽楔的作用是固定發電機定子線棒，江埡水電站所有定子槽楔均采用斜楔對結構形式，即上層的槽楔與其下層的斜楔形成斜楔對，上、下楔的表面傾斜率一般為1：120左右，材料均由東方電機廠提供。空間分布上，由里到外分別是橡膠墊條、半導體條、斜楔和槽楔。

水輪發電機實際運行中，因為交變電磁力影響使定子線棒產生振動現象[3]。線棒所承受電磁力和電機定子中的電流成正比關系，定子鐵芯在運行中所承受磁拉力和定子對應氣隙磁通成正比關系，在兩種力共同影響下，促進線棒以及鐵芯產生相對運動，導致槽內的線棒產生振動[4]。定子槽楔松緊度檢測和重新緊固是針對發電機裝置實施全面保養維護的核心環節。定子槽楔這一結構主要對定子槽中定子線棒實施全面緊固。槽楔板如果缺少有效維護便會產生松動問題，處于電磁力影響下，使得定子線棒運行不穩，產生強烈振動，增加整個電機系統的事故幾率，威脅電機的運行安全[5]。

機組運行中產生的熱量會通過定子通風槽向外散發，定子槽楔松動會堵塞定子通風槽，降低運行中發電機空氣流通效果，散熱不通暢，引起發電機溫度升高[6]。同時，定子槽楔松動，會造成定子線棒表面和槽壁之間失去良好接觸，產生高能電容性放電，會對定子線棒表面產生熱和機械的作用。而且，放電使空氣電離而產生臭氧及氮氧化合物，這些化合物與氣隙內的水份發生化學作用，呈現酸性，從而引起線棒的表面防暈層、主絕緣出現腐蝕的現象，造成主絕緣受損[7]。

另外，水輪發電機組材料自身所存在的熱脹冷縮特性，也容易使整個槽楔板形成松脫問題，嚴重情況下還會直接掉落。一旦產生槽楔掉落問題，將會進一步加劇線棒振動，同時直接損傷定子與轉子整體絕緣性[8]。加劇電腐蝕問題，使定子線棒對應絕緣層被擊穿，增加發電機運行事故幾率。

2 定子槽楔松動過程分析及檢查方法

2.1 定子槽楔松動過程分析

結合工程實踐分析，在處理線棒中，普遍會通過槽楔配合墊片以及槽楔搭配波紋板等方式對線棒實施徹底緊固。

墊片式固定槽楔產生松動現象，主要分為四個環節：槽楔局部產生運行松動；隨著運行時間增加，槽楔松動問題加劇，局部空隙擴大；空隙部位持續擴大，到整個槽楔板產生貫穿間隙，使定線棒和槽楔板全面分離，將槽楔轉化成獨立振子；縫隙部位持續蔓延，最終導致整個槽楔板直接松脫。波紋板式槽楔，在定子線棒和槽楔間主要設置波紋板，因此槽楔下層始終存在波紋板彈力支撐。波紋板式槽楔對應緊固松緊度可以通過彈力數值進行反映。

槽楔緊固程度檢測的主要操作原理是：墊條固定后的槽楔因為沖擊激勵影響，隨著緊固狀況差異，所產生的響應程度各不相同。如果松動幅度較低，則產生局部振動擴大現象的可能性較大。在松緊程度持續變化中，相關局部振動頻率也開始發生變化，處于該階段內位移振動變化幅度開始降低，因此可以通過聲音信號頻率進行合理判斷。假如槽楔嚴重松動，會進一步擴大局部空隙，甚至將整個槽楔板直接貫穿，此時定子線棒和槽楔板全面分離，使整個槽楔板轉化成獨立振子。即便隨著松脫程度持續擴大，槽楔處于沖擊影響下，相關振動頻率依然沒有任何變化，但振動幅度會繼續擴大，為此可以結合振動幅度對松緊度進行辨別。波紋板固定槽楔處于強烈沖擊下可以當成薄板強迫振動模型。槽楔板在不同松緊度下，波紋板形變開始發生變化，槽楔板內波紋板彈力特性也產生明顯變化，改變整個槽楔板振動狀態，隨著緊固程度增加，會形成更高彈力，擴大整個槽楔剛度，加大振動頻率，降低最高振幅。

2.2 定子槽楔松緊度測定方法

國內外關于槽楔松緊度測定主要分為聲測、卡尺檢測以及敲擊檢測等方法。其中卡尺檢測僅能針對部分帶孔槽楔實施測定，聲測則需要應用專門系統設備，十分笨重，影響操作便捷度，同時在松動幅度較小條件下會影響槽楔測定精準度。根據綜合考慮，本次檢測選擇敲擊法。檢查方法用0.5 lb

（1 lb≈0.453 kg）銅錘敲擊槽楔有無空聲，每段槽楔如空隙長度超過其長度的1/3必須重新處理。檢測定子槽楔松緊度，直接用手敲擊定子槽楔板，聽覺判斷槽楔板的振動聲音特性，感受敲擊所形成的瞬時感受，對相關點松緊度實施判斷，對于槽楔板選擇3、4個節點進行敲擊，綜合判斷該處槽楔的松緊情況。

3 優化槽楔更換方法

江埡電站3#機組大修期間，專業技術人員采用銅錘對槽楔進行了仔細檢查，共發現58處需要更換，目前水電廠定子線棒一般采用槽楔加波紋板的組合結構進行更換固定。檢修人員對結構上進行了優化，制訂了適合該電站的槽楔更換方案，即按照“墊條—斜楔—槽楔”的順序從里往外安裝。

3.1 材料準備

（1）準備足量的槽楔、斜楔、半導體條和橡膠墊條。其中槽楔分為上節槽楔、中節槽楔和下節槽楔三種規格，斜楔按照與之配套的槽楔規格準備，根據實際情況選取0.5 mm、1.0 mm、2.0 mm三種規格的半導體墊條搭配使用，來調整槽楔的緊固程度，針對埋有測溫電阻的線槽，優先使用0.5 mm的半導體墊條，以更好地保護測溫電阻。橡膠墊條長度應比整條槽楔長。

（2）準備足量的玻璃繩。

（3）準備用于浸泡玻璃繩的環氧樹脂膠（E-44環氧樹脂6101和環氧樹脂固化劑聚酰胺650）、發電機帶電清洗劑、絕緣漆。

3.2 槽楔安裝

（1）由于上節、中節、下節三種槽楔的尺寸規格不一，安裝前應挑選槽楔通風槽口與鐵芯通風溝對齊的槽楔，槽楔不應突出鐵芯。如出現與通風溝不對齊情況，應對其端部進行切割、磨平處理。槽楔通風槽口方向應全部朝俯視順時針方向。

（2）將橡膠墊條和半導體條從端部槽楔槽口依次放入槽中，最里層的半導體條應選用最厚的，然后用斜楔壓住，上節槽楔從下部往上打入槽中，當向上推至斜楔2/3處，檢查斜楔對的松緊程度。若偏松，應在斜楔下增加適量的半導體條，按照內厚外薄的原則放入；反之，應抽出適量半導體條。打緊槽楔過程中應使用木錘和專用墊塊敲擊，避免碰傷線棒和鐵芯。

（3）在添加調整半導體條的過程中，每槽的半導體條數量不宜超過三層，上下兩半導體接頭應與墊條接頭錯開。

（4）槽楔更換完成后，對槽楔進行檢查，槽楔應完整、平整，不凸出鐵芯內圓表面。槽口與通風溝對齊，不得錯位，誤差不得大于4 mm，且符合發電機旋轉方向。用專用小銅錘檢測槽楔的松緊度。每條槽楔允許的空隙長度，不應超出該條槽楔長度的1/3，否則應將槽楔敲出，增加適量半導體條壓實后，重新打緊。

3.3 槽楔端部玻璃繩綁扎

（1）平槽楔的關門槽楔用泡有環氧樹脂的玻璃絲繩進行最終緊固。將專用環氧樹脂膠按照1∶1配比，攪拌充分，加入適量環氧樹脂稀釋劑，使其粘稠度適中。

（2）準備足量玻璃繩，每根長約4～5 m，放入調配好的環氧樹脂膠中浸泡約10 min后取出備用，晾干約0.5 d左右。

（3）綁扎槽楔應保證緊固牢靠，保證槽楔不會松動、變形。

3.4 絕緣漆噴涂

（1）經過環氧玻璃繩充分固化后，檢查環氧干燥情況。待干燥良好，清理環氧渣，清理過程中避免損壞鐵芯。

（2）槽楔表面應干凈，無油污、灰塵，無變色、破裂等。

（3）用發電機絕緣帶電清洗劑對發電機定子進行清洗。

（4）噴涂發電機專用F級絕緣漆。

4 試驗驗證

機組全部回裝完成后，對發電機定子進行預防性試驗（絕緣、直阻、直流耐壓及泄漏電流試驗、交流耐壓試驗），各項數據均合格。更換前后有明顯區別的數據見表1。

由表1、表2可知，在濕度增大的情況下更換槽楔后直流耐壓時泄露電流比更換前小，泄露電流主要反映線棒絕緣的整體有無受潮、劣化，更換槽楔后泄漏電流比更換前小，說明更換槽楔后定子整體絕緣性能更優。

發電機定子交流耐壓試驗能準確定位定子繞組局部集中性絕緣問題，尤其是繞組槽口以及槽內的絕緣問題，比如局部絕緣惡化以及機械損傷問題。定子繞組交流耐壓應采用串聯諧振法進行，定子繞組的外施交流耐壓值為1.5 Un[5]，交流耐壓試驗應分相進行，被試相加壓，非被試相接地，試驗電壓應為50 Hz正弦波，諧波分量應不超過基波的5%，試驗電壓必須在高壓側測量，耐受試驗電壓的時間為1 min。

5 結束語

系統分析了發電機定子槽楔松動的危害性以及槽楔松緊度檢查方法，以江埡水電站3#機為例，提出優化槽楔更換方法，詳細介紹了更換處理步驟，試驗驗證表明，槽楔更換優化方法效果較好。相關工作可為今后槽楔安裝工藝優化提供借鑒。

參考文獻：

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An Optimization Method for Replacing the Stator Slot Wedge of Hydrogenerators

YI Qiang，XIAO Zhibin

（Jiangya Hydropower Station，Hunan Lishui Hydro & Power Co.，Ltd.，Zhangjiajie 427221，China）

Abstract：During the operation of hydrogenerator set，the loosening of stator slot wedge will weaken its fixed effect on the stator wire rod and aggravate the vibration of rod. Long-term operation will damage the main insulator of the wire rod，causing wear and discharge that can jeopardize the safe operation of the generator. Hence，it is imperative to detect the loosening of slot wedge to ensure the generators normal operation. By analyzing methods of checking the slot wedge tightness，we selected the copper hammer tapping method based on the specific circumstance of the power plant. Additionally，we propose an optimized method for replacing the stator slot wedge in line with the existing slot structure. We further conducted field measurements to verify the correctness and feasibility of this approach.

Key words：stator slot wedge；loosening check；slot wedge replacement；optimization method