灯泡贯流式水轮发电机定子铁心松动的原因及改造分析

朱何会，刘 玲，黄剑奎

（浙江富春江水电设备股份有限公司，杭州310013）

0 引言

某水电厂安装有2台进口于国际知名厂家生产的灯泡贯流式机组，投产于20世纪90年代后期，额定功率34.5 MW，额定电压10.5 kV，额定功率因数0.92，额定转速88.2 r/min。定子机座为方便运输，在工厂分两瓣制造，运输至电站现场再用螺栓连接组合；分瓣定子铁心在工厂叠装，运到电站现场再与定子机架组合好，并进行圆度测量；定子绕组为整槽双层波绕组，采用罗贝尔ROEBEL换位方式；线棒装入定子槽后，在槽中采用硅橡胶进行固化处理；定子绝缘等级F级，转子绝缘等级F级。发电机基本参数见表1。

表1 水轮发电机基本参数表

目前2台发电机存在的最大问题是定子铁心变形，从铁心背面看存在波浪变形，波浪变形在发电机的铁心分瓣结合处尤为明显。由于定子铁心变形导致定子压指与铁心冲片间多处出现空隙，铁心松动。在2002年6月2#机由于铁心松动损伤线棒绝缘导致发电机定子接地；在2006年8月1#机由于铁心松动损伤线棒绝缘导致相间短路，使得发电机线棒、铁心严重受损。

1 原因分析

1.1 电磁设计上的原因

1.1.1 定子铁心斜槽结构

灯泡式水轮发电机组转速低，定子铁心内径小，定、转子气隙小，极数多，再加上为了满足电力系统对某些电气参数的要求，槽数又不能选得太多。因此，定子每极每相槽数q值较小，一般在1＜q＜3。当q值取整数槽或选取q＝bd+c＜7的分数槽绕组时，必须进行电压波形的分析和计算。从数据参数表中可见，由于灯泡机结构上的限制或因原制造厂的技术传承，原制造厂在电磁设计时，定子槽数选取了306槽，即每极每相槽数q=bd+c=1+1/2。为了避免由此引起的定子电势波形畸变，在电磁设计时厂家采取了改善电压波形的措施之一，定子铁心斜1/2槽距，即上、下游侧槽倾斜32.085 mm。定子铁心斜槽可以改善磁路，削弱高次电磁谐波，从而使发电机波形光滑，减小其噪声和振动。定子斜槽虽然在很多灯泡机上应用且有不少成功业绩，但其结构上的不足还是切实存在的：

1）斜槽结构的定位筋挂装后理论上会产生双曲线误差，形成定位筋内径上、下游侧大，中间小的现象；实际操作时，若工艺不到位，误差将不可避免或更大；

2）斜槽结构的定子铁心压紧较直槽结构困难。直槽结构的定子铁心压紧基本上是一轴向力；而斜槽结构的定子铁心在以鸽尾筋基准面轴向移动的同时还有一水平方向的移动，铁心压紧时，定子冲片除了承受轴向压力外，还将承受斜定位筋的切向分力，使得冲片与定位筋的摩擦力增大，铁心压紧困难；

3）定子铁心斜槽使下线后线棒与槽侧面的间隙不均匀。本电站“线棒装入定子槽，在槽中采用硅橡胶进行固化处理”应该是较好的解决了这个问题；

1.1.2 定子铁心轭部较窄

定子铁心槽深117 mm，轭宽为108 mm，轭部较窄，导致铁心的整体刚性差，铁心叠压时压不紧或压力不均匀。

1.2 结构设计上的原因

1）分瓣定子铁心结构。分瓣定子铁心结构，破坏了铁心的整体性，使得铁心的刚度，圆度变差。铁心合缝处如果处理不当，将会引起局部振动，若定子刚性差，将会引发整个定子振动。

2）鸽尾筋与铁心间预留热膨胀间隙过小仅为0.5 mm；铁心热膨胀产生的内应力受阻易引起定子冲片发生轴向翘曲变形，最终发生铁心松动、振动、噪声造成线棒绝缘磨损、烧坏铁心等各种事故危害，影响机组正常运行。

3）定子拉紧螺杆数量偏少。定子单张冲片为17槽，弦长约1 170 mm，导致圆周方向拉紧螺杆偏少，仅为72根，比同类型机组数量少约1/3。

4）定子拉紧螺杆直径为M24偏小，同类型机组一般为M36或更大。

5）由于铁心齿较宽，为45.47 mm，每齿上设置两根通风槽钢；而齿压板上的压指设置成和通风槽钢一一对应，即一个齿上两根压指，致使压指有轴向高度而无周向宽度，刚性差，易失稳。

6）定子绕组端部未设置端箍固定。端箍的作用在于当发电机突发短路时，端箍可以承受绕组端部的径向作用力，以防止该力对绕组端部造成的变形及破坏。

综上所述，我们认为造成某电厂发电机定子铁心松动的原因有以下几点：

1）由于定子斜槽结构，在铁心最初叠压时铁心不能真正压紧或压紧力不均匀；

2）定子铁心分瓣破坏了铁心的整体性、定子铁心轭部过窄，铁心背部拉紧螺杆偏少、直径偏小；压指刚性差等导致定子铁心整体刚性太差以致最初铁心叠压时根本无法压紧；

3）定子铁心鸽尾筋与机座间预留热膨胀间隙过小。之后，机组运行产生的铁损和线圈的铜损使铁心温度上升发生热膨胀，与常规立式水轮发电机相比，其散条件非常恶劣，而且因贯流机组运行时浸泡在水中，机座壁与铁心之间温差大，定子铁心鸽尾筋与机座间预留热膨胀间隙过小，导致铁心热膨胀后产生的内应力在径向受阻，铁心只能轴向膨胀，从而致使铁心波浪扭曲变形以致松动。

由于定子铁心变形松动导致多处压指出现间隙；发电机的起动停止及负载的不断变化使铁心的温度高低发生变化，铁心在径向方向上反复的热胀冷缩导致铁心波浪扭曲变形加剧，也导致铁心压紧力慢慢的降低，在铁心压紧力反复降低的过程中，使本就叠压不紧的铁心松动逐渐加剧，铁心的磁振动也随着增大。随着铁心振动的增加，进而造成定子铁心局部变形更突出，这些反过来加大了不平衡磁拉力，从而进一步加剧了定子铁心的破坏。最终破坏定子槽内线棒绝缘，导致更大的安全事故发生。

2 改造分析

针对上述问题和原因，建议重新设计制造定子，以杜绝由铁心松动而引起的一系列不安全隐患，改进措施如下：

1）加大定子铁心外径，即增大铁心轭宽，从而提高铁心整体刚度。

2）合理选择单张冲片上的槽数即减小每张冲片弦长，从而增加整圆拉紧螺杆数量，并加大拉紧螺杆直径。

3）增加每根线棒股线数，以减小定子电流密度；增加线棒股线绝缘厚度，并适当加强线棒防晕层厚。

4）为适应运输条件定子机座可以采用分瓣结构，但合缝面用大法兰螺栓把合，现场封水焊，以增加机座刚性；不采用定子铁心分瓣结构，采用常规现场整圆叠片结构取消合缝，以提升铁心的整体性，进而提高铁心的刚度，圆度，避免铁心分瓣合缝处引起的局部振动。

5）设计确定合适的铁心与机座之间的间隙。

3 结论

灯泡式水轮发电机由于在电磁设计及结构设计上受到诸多限制，使得其运行环境必须优于一般常规立式水轮发电机。因此，在彻底改造本机组设计制造的先天缺陷的同时，还应对机组的运行工况，运行环境进行有效改善，从而确保机组长期安全稳定运行。

[1]白延年．水轮发电机设计与计算[M]．北京：机械工业出版社，1982.

[2]吉庆龙，鲁建文，彭宏，等．安居电站灯泡式水轮发电机增容改造工艺[J]．东方电机，2005，33（3）：44-47,62.

[3]陈仰辉．大型灯泡式水轮发电机设计特点[J]．电气应用，1985（1）：10-17.