发电机转子槽绝缘位移的原因及处理

韩英杰，唐锦凡，吴 庄，陈佰成

（深圳南山热电股份有限公司，广东 深圳 518054）

1 概述

南山热电厂1号发电机系ALSTOM产T240-370型封闭循环空冷发电机，额定容量171.875MVA，额定电压15000V，额定电流6615A，2001年投产。该机型属我国燃机电厂的主力机型。2006年1号燃机发电机检修中发现转子线圈内部槽绝缘从驱动端向励磁端不同程度的位移（如图1所示），最明显的两条槽绝缘位移量分别为5.4cm和3.5cm。同时，转子绝缘性能明显下降，500V摇表测试为0.5MΩ左右。同时也了解到国内同型机组也出现类似的位移情况（励侧向驱侧），但转子绝缘未受影响。

图1 转子槽绝缘外移

2 发电机槽绝缘位移的故障分析

发电机转子的槽绝缘产生位移是发电机非常罕见的故障，而在ALSTOM产该型机组中则连续出现。经过与国外发电机厂家、国内同类发电机厂家、同机型电厂反复论证，分析结果如下：

（1）转子结构设计不合理致使槽绝缘位移的限制措施失效。该型转子在端部设计上原本做了限制槽绝缘移动的措施，如图 2所示，弧形凹槽本是为消除转子线棒上应力集中而设计的，但也同时也使槽绝缘较易突破该限制而向一侧移动，没有起到限制槽绝缘移动的作用。

图2 原限制槽绝缘位移的措施

（2）机组频繁起停导致转子铜排及槽绝缘热胀冷缩的不均匀是槽绝缘产生移动的原因。转子在起停中承受着变化的温度场，铜铁膨胀差产生的热应力、层间绝缘和线匝的热应力、同一线匝各点受冷却风场影响造成温度差异而引起的应力不同，这三种热应力力图使线匝沿轴向伸长。转子本体、绝缘（-NHN）、绕组铜排膨胀差产生的伸缩量可用下面公式计算：

式中：△L1——铜线对绝缘槽的相对伸长量，mm；

△L2——绝缘槽对转子本体的相对伸长量，mm；

L——转子的线匝长度，mm；

λCu——铜线的线膨胀系数，λCu=17 ×10－6，1/℃；

λFe——转子的线膨胀系数，λFe=12 ×10－6，1/℃；

λNHN——绝缘（-NHN）的线膨胀系数，λNHN=9× 1 0−6，1/℃[3]；

tCu——铜线温度，℃；

tFe——铁齿温度，℃；

t0——转子加励磁前的温度，可取进风温度，℃。

如t0取机组盘车备用状态下的温度40℃，转子铁心温度tFe、槽绝缘温度tNHN、转子绕组铜排温度tCu相同，转子绕组每槽铜排长为 3700mm，转子选取同样长度部分，对应不同的tCu，根据公式计算出相对伸缩量见表1。

表1

可见，转子槽绝缘与转子绕组铜排每次期起停机各会有 1.18mm的相对位移，转子槽绝缘与转子铁心每次起停机各会有 0.44mm的位移。在国内，该型机组均是作为调峰机组使用的，基本每天起停一次，如果没有良好的限位措施，其随机串移的速度将十分可观。而串移的方向是根据材质的特性随机产生的。这也可以解释南山热电厂和同机型电厂位移现象相反的现象。

同时，当转子处于旋转状态时，绕组线匝受到下部线匝产生的离心力的作用，使其厚度变小，长度变大，即压缩应力；而铁齿受到径向拉伸应力，使本体直径增大，长度缩短，这样，转子绕组的线匝对转子铁齿有机械伸长差，在绕组上产生了机械应力差。在热应力和机械应力的作用下，绕组线匝与槽绝缘之间、转子与槽绝缘之间会有方向相反的摩擦力。由于制造工艺的原因，单靠此二力很难平衡，长期频繁起停发电机，绕组线匝、槽绝缘、转子刚体热胀冷缩，摩擦力不对称，就发生槽绝缘位移。

（3）槽绝缘位移后出现的空气隙易导致脏污积垢，是引起转子绝缘性能下降的主要原因。槽绝缘向一侧产生位移后在转子的另一侧就产生了相应的一个空气隙，该空气隙本身也足够起到绝缘的作用。但是机组运行中（尤其是燃烧重油工况下）产生的粉尘，烟气等脏污很容易进入该气隙，导致转子绝缘性能下降。1号机的槽绝缘位移后空气隙出现在靠燃机一侧，易受粉尘、烟气等脏污影响，绝缘性能明显下降。其它同机型机组槽绝缘位移方向相反，空气隙在励侧，较为干净，因此绝缘性能暂未受影响。

3 发电机槽绝缘位移的危害

发电机转子槽绝缘位移是发电机的重大安全隐患，必须引起重视，及时处理。燃机发电机采用空气冷却，转子转动时，冷却空气从两端向中间吹。转子铜线、匝间绝缘与冷却介质直接接触，容易造成积灰。积灰的严重后果是匝间短路，继而引起热不平衡、转子振动。

槽绝缘位移使转子线棒与转子铁芯失去绝缘体隔离，只保持空气隔离，并且在槽绝缘移进的端部爬电距离较短。因此槽绝缘位移处转子对地绝缘尤其薄弱。因没有绝缘体隔离，当出现过电压时，有可能造成对地击穿事故。

另外，南山热电厂1号机2006年8月最大位移量为5.4cm，2009年最大位移量为7.10cm，说明槽绝缘位移还在不断发展并扩大，当位移达到一定长度时，转子线棒与转子铁心之间由于失去支撑，极易发生桡性变形而形成稳定金属性接地。

4 发电机槽绝缘位移的解决方案

目前，国内大多数发电机转子上采用的间苯二酚与聚芳纤维纸聚酰亚胺薄膜复合材料（NHN）热压而成的“U”形槽绝缘。“U”形槽绝缘的电气性能比较稳定，但所占据的空间位置大，而且整体的柔韧性比较差，在使用过程中极容易受到损伤。同时，“U”形槽绝缘在制造过程中所使用的模具特殊，不同型号和电压等级的发电机所需模具的尺寸都不相同，开发新模具就会增加改造成本，造成不必要的浪费。1号发电机采用的是“L”形槽绝缘。“L”形槽绝缘与“U”形槽绝缘相比，可以更高地承受弯曲、压缩和拉伸等各种机械应力，而且整体的柔韧性好，增大了发电机转子的通风面。因此，对槽绝缘的结构我们决定不进行改造。

其次，参考其他发电机转子槽绝缘定位方法，试图采取固定销的办法，但由于它的L型结构，使固定销无合适的安装位置。

最后，采用在转子槽口绝缘靴加工凸出台阶，当槽绝缘因热涨冷缩或任何原因产生位移，这个台阶都会有效地将其阻挡，防止位移。为了防止槽绝缘热涨冷缩产生巨大应力造成绝缘靴或槽绝缘损坏，凸出台阶与槽绝缘留有2.5mm间隙（如图3和4所示）。

2009年4～6月，南山热电厂1号发电机转子槽绝缘按照上述方案，由国内厂家进行了修理和改造，7月初投入运行。经对槽绝缘多次窥孔检查和绝缘电阻测试，目前情况良好。

图3 绝缘靴改造前

图4 绝缘靴改造后

5 结束语

发电机转子槽绝缘位移是罕见的，国内有部分ALSTOM生产的9E发电机也存在与南山热电厂1号发电机类似的问题，如南山热电厂另一同型发电机及月亮湾电厂一台同类机型都有位移现象。分析认为，该型发电机转子槽绝缘设计不合理，有必要对同类机型进行检查和改造。在转子槽口绝缘靴加工凸出台阶并和槽绝缘留有2.5mm间隙的办法，经过几个月的运行及连续几次的检查，效果良好。

南山热电厂这次采用国内技术解决了槽楔位移问题，值得同行借鉴。

[1]杨涛, 胡春秀, 张洋. 新型汽轮发电机转子槽绝缘结构的研究[J]. 大电机技术, 2008（3）.

[2]陈世坤. 电机设计[M]. 北京: 机械工业出版社,1990.

[3]汪耕, 李希明, 等. 大型汽轮机的设计、制造与运行[M]. 上海: 科学技术出版社, 2000: 294.