抽水蓄能发电机定子槽楔松动原因分析及处理

周绍鸿，张　俊

（湖南五凌电力工程有限公司，湖南 长沙 410004）

抽水蓄能发电机定子槽楔松动原因分析及处理

周绍鸿，张俊

（湖南五凌电力工程有限公司，湖南 长沙 410004）

摘要：详细介绍了黑麋峰抽水蓄能电厂3号、4号发电电动机定子槽楔松动情况，深入分析了可逆式电动/发电机槽楔松动原因，针对定子端部槽楔固定方式、方法进行技术改进，为大容量水力发电机定子槽楔松动处理提供参考。

关键词：发电/电动机；定子槽楔；松动原因；技术改进

1　前言

黑麋峰抽水蓄能电站装机4台可逆式水轮/水泵式发电机组，单台发电/电动机额定容量300/320MW（发电/电动工况），定子线圈为双层叠绕式，共600根，线槽300槽，定子槽楔安装结构采用带波纹弹簧垫条的弹性槽楔紧固系统以及在槽楔端部加适型毡的辅助固定方式。2010年4台机全部投运，运行近1年后，发电机风洞常规检查即开始发现3号和4号机上、下端部部分槽楔有窜动现象，窜位痕迹明显（如表1），1号和2号机上、下端部槽楔未见窜动异常。对出现端部槽楔窜动异常的线槽做位置标定、窜量标记，增加检查频率，逐次比较窜量，窜量呈逐渐变大趋势发展，最严重部位已经顶开适型毡，严重影响到定子线圈及发电机组的安全运行。2013年12月对3号、4号机进行定子槽楔松动情况检查及处理专项检修。

表1　

2　定子槽楔松动情况

吊出发电机所有磁极（20个），进入定子膛内全面检查。3号机上端部槽楔有窜动现象的共258槽，中间槽楔有窜缝现象的共102处，下端部槽楔有窜动现象的共216槽；4号机上端部槽楔有窜动现象的共229槽，中间槽楔有窜缝现象的共71处，下端部槽楔有窜动现象的共179槽，窜动量最大处达到43mm，2台机上、下端部槽楔窜动普遍，中间槽楔窜动情况无规律。

3　定子槽楔松动原因分析

定子线圈在线槽内由槽楔紧固系统作为线圈的径向固定，槽楔安装的松紧直接关系到线圈的安全，而线圈在机组不同工况运行时受到的电气应力、机械应力、热应力等各种不利因素影响，又会造成槽楔的松动。通过分析笔者认为引起黑麋峰抽水蓄能电厂3号、4号发电/电动机定子槽楔松动、窜动主要有以下几方面原因。

3.1双向旋转因素

由于可逆式水泵/水轮机作水轮机和水泵运行时的旋转方向是相反的，因此电动/发电机也需按双向运转设计，从电气原理上看，同步发电机本身是可以正反旋转的，只需电源相序随发电工况和电动工况而转换。发电机和电动机运行时定子线圈上受到的力有转子的电磁力和定子铁芯的固定力，这对作用力与反作用力的方向会根据工况的不同变成相反方向，发电机工况时和常规水轮发电机一样定子受到转子磁力作用，受到一个与旋转方向相同的扭矩，定子铁芯的固定力矩为该作用力的反作用力，电动机工况定子受力方向则正好相反。线圈与槽壁间的隔离结构由主绝缘层、防晕层、半导体低阻布、导电槽衬及半导体腻子填充层组成，不同的工况线圈电磁力的方向相反，线圈与槽壁间隔离结构不断受线圈挤压和改变工况后压力的释放并反向挤压，如此往复，材料硬化、老化、收缩等因素影响了线圈与槽壁的接触，逐渐发展成间隙后线棒产生振动，也带动了槽楔的窜动，槽楔的松动又会加剧线棒的振动，进入恶性循环。3号、4号发电机启停统计表如表2：

表2　3号、4号发电/电动机年运行次数统计表

3.2制造工艺及安装质量因素

黑麋峰抽水蓄能电厂1号发电/电动机由ALSTOM公司生产，2号、3号、4号机除了2号机线圈外全部由国内厂家生产，3号、4号机定子线圈引进和消化吸收的是法国阿尔斯通公司定子线圈制造技术，额定电压18 kV，线圈总长3 934mm，单只线圈重约42 kg，线圈主绝缘采用少胶VPI绝缘，防晕采用一次成形防晕结构，F级绝缘，施工单位为同一家，4台机定子下线施工工艺相同，槽内填充的层间、契下垫片采用半导体垫片，上、下层线圈嵌入前在两侧及底面包裹一层带胶的半导体低阻布（0.11mm× 100mm），槽内固定采用槽衬固定结构，将0.13mm厚导电槽衬J1008压紧在槽衬形成的装置上，用刮胶板将室温固化半导体腻子J0301均匀的刮涂在槽衬布上，将槽衬布包裹在线圈上，采用环形吊，人工辅助嵌入线槽。大型机组定子线圈装配工艺的好坏很大程度上决定着机组的使用寿命，槽楔装配过松，在机组运行过程中容易产生振动，长期振动导致线圈绝缘磨损，易产生放电，缩短使用寿命；槽楔装配过紧，施工过程中易直接造成绝缘层损坏，也会缩短机组使用寿命。黑麋峰抽水蓄能电厂4台机投运以来由于电网调度需要等因素，发电工况和抽水工况运行次数并不多，远未达到抽水蓄能电厂设计的使用频率，1号、2号机和3号、4号机定子槽楔松动情况现状对比分析，线圈的制造工艺和施工质量的差异是造成3号、4号机定子槽楔松动的原因之一。

3.3功率调整幅度大、频繁启停因素

抽水蓄能电站在电力系统中担任填谷调峰、调频的作用，一般每天要启停数次，机组启停对定子线圈冲击很大，此类型机组虽在设计上已有较为成熟考虑，但由于各种材料及制造工艺等因素制约，频繁启停仍然会对机组健康水平造成影响。发电/电动工况运行功率调整幅度要求很大，调整也很频繁，大型机组要求有每秒钟增减10MW负荷的能力，短时大幅度功率的调整，水力特性、机械特性、电磁力矩瞬间变化，作用在线圈上的电磁力近乎突变，产生很大冲击，定子线圈在这类工况下运行，对线圈制造质量、安装工艺及槽楔紧固系统要求更为严格。

3.4过渡过程复杂因素

抽水蓄能机组在工况转换过程中要经历各种复杂的水力、机械和电气瞬态过程。在这些瞬态过程中会发生比常规水轮发电机组大得多的受力和振动，此类受力和振动对发电/电动机定子线圈有很大影响，槽楔紧固系统较常规水电应更可靠。

3.5转子的制动方式因素

正常停机时，当转子转速降至60%额定转速时，励磁系统给转子通入850 A左右的励磁电流，同时合上电制动刀闸将定子绕组三相短路。此时定子绕组中将感应出10 000 A左右的电流，对转子产生一个电磁阻力矩，使转速很快下降，当转速降至5%时，投入转子风闸，使转速马上降为0。黑麋峰抽水蓄能电厂机组额定转速300 r/min，实现快速停机必须使用电气制动方式，线圈自身及线圈固定系统需耐受三相短路电流对线圈产生的很大电动力。

3.6冷却方式及效果因素

黑麋峰抽水蓄能电厂电动/发电机采用密闭循环空冷方式，设计上电机本身的通风、冷却系统能适应双向旋转工作。铁芯由硅钢片叠制而成,硅钢片具有良好的导磁性,磁滞损耗小及高电阻率，定子铁芯有4种，分别是：阶梯片、通风槽片、普通片和测温片。部分通风槽片内装有绝缘筒，铁芯上下都有压板，定子铁芯上有通风孔用于冷却定子。定子铁芯通过双鸽尾定位筋与定子机座相连，铁芯分为6大段49小段叠片，叠完一个大段压紧一次，最终叠完后通过拉紧螺杆拉紧。36支铂金属RTD安装于铁芯槽内的上下层线棒之间,用于监视定子线圈温度；8支热电偶温度传感器(材料：康铜)安装于铁芯内,沿中间高度呈环状分布,用于监视铁芯温度。槽楔安装时通风槽对位是安装重点之一，散热不均会在绕组和铁芯间产生热应力及不同材质的热胀冷缩，引起槽楔松动，槽楔窜动后挡住通风口又会进一步影响局部散热效果。通过对3号、4号发电/电动机，发电工况和抽水工况热稳定状态各部位温度监测数据的比较分析，两种工况热稳状态时同部位温度有差别，所以发电机工况和电动机工况时，定子线圈受到不等的热应力。

3.7电动机工况启动因素

可逆式电动/发电机作电动机运行时，不能象组合式机组那样利用水轮机来启动，而必须采用专门的启动设备，SFC启动或采用“背靠背”方式，电动机工况容量为320MW。电动机启动时，转子受磁场力作用，产生磁场力矩，方向同转子的转向一致，该磁场由接通三相交流电的定子线圈产生，转子同时受到负载的阻力矩，方向同转子的转向相反，此时磁场力矩大于阻力矩，使电动机转子的转速由“零”增速直到转速达到稳定，在转子加速过程中，产生磁场力矩逐渐减小直到与阻力矩相等。电动机启动时的磁场力矩和阻力矩相差愈大，启动过程就愈短，反之磁场力矩和阻力矩相差愈小，就会使启动过程延长。电动机工况启动时，功率大，且按设计要求需要实现短时间达到额定转速，这需要很大的起动力矩才能实现启动成功，巨大的起动力矩也是引起线圈振动、槽楔松动需要考虑的因素。

4　端部槽楔安装固定技术的改进

4.1端部楔块结构改进

原来端部槽楔安装紧固到位后，槽楔伸出铁芯槽口10mm左右，由于端部槽楔安装操作不方便，需要注意线圈端部防护、调整平垫片配置，端部槽楔安装紧度较中间段槽楔往往反而偏松，虽有端部加适型毡的辅助固定方式，但在各种复杂工况下容易松动窜出，线圈没被牢靠的固定在线槽内会有相当于二倍电源频率的电磁力施加于线棒上，使其在槽内产生运动。改进后的槽楔比原槽楔长30mm，装入线槽的槽楔长度不变，但伸出铁芯槽口部位的长度变长，并在槽楔两侧设计涤纶护套玻璃丝绳绑扎止动槽口。

4.2端部槽楔固定方法改进

改进后端部槽楔安装紧固到位后，伸出铁芯槽口40mm，用涤纶护套玻璃丝绳逐槽按线圈和槽楔成对绑扎紧固并使所有线圈形成一个整体，增加了端部槽楔自身稳定性和整体稳定性。

4.3端部槽楔辅助固定方式改进

传统方式为槽楔端部加适型毡的辅助固定方式，由于适型毡与槽楔接触部位较小且刚性较差力度较小，在端部槽楔窜动力度较大时无法彻底顶住槽楔的窜动，容易出现槽楔将适型毡顶开和顶错位情况。为配合新型端部槽楔绑扎固定方法，从单个槽楔窜动力度的有效吸收和整体窜动力度的分散考虑，以线圈表面圆周长及弧度为基准，设计新型专用玻璃钢挡板，6根线圈为一组，共100块，上、下端部各50块，用涤纶护套玻璃丝绳逐槽和线圈绑扎紧固，整圈形成一个整体（见图1~2）。

图1　新型专用玻璃钢挡板固定后局部实图

图2 新型专用玻璃钢挡板固定后整体实图

4.4中间段槽楔安装

槽楔、半导体平垫、环氧调整平垫、波纹垫的作用是作为线圈的径向固定，阻止运行中线圈的径向位移，由于槽楔块的厚度为定值，线槽深度也是定值，故线槽内槽楔和上层线圈的间隙是定值，因此槽楔的压紧度可通过在波纹垫片和线圈间填入厚度不同的环氧平垫条来调整。用小铜锤敲击槽楔听声音来感觉楔块振动、柱塞千分尺测量波纹垫片峰谷值控制波纹垫片幅度为0.45mm的方法来检查槽楔安装的松紧度，并在槽楔的接口部位涂适量环氧树脂

胶，使整个线槽槽楔成为一个连续的整体，有效的抑制了单个槽楔出现松动后的窜动力。

5　结束语

决定定子线圈寿命的关键因素是作为隔离高电压铜导体与定子铁芯的电气绝缘，有效的发电机定子线棒紧固系统能防止线棒因电气应力、机械应力、热应力等因素造成线棒在线槽内产生运动，导致线棒与铁芯相摩擦损伤半导体涂层和主绝缘层。从黑麋峰抽水蓄能电厂3号、4号机发电/电动机定子槽楔窜动、松动情况看，发电/电动机工况的特殊性、槽楔安装固定施工质量及端部槽楔安装固定方法为定子槽楔窜动、松动主要原因，端部楔块结构及绑扎方法的改进和端部槽楔辅助固定方式的改进，可为同类型机组定子端部槽楔安装固定提供参考。

参考文献：

[1]余维坤.三峡电厂发电机定子线棒固定技术[J].中国三峡建设，2004，11（6）.

[2]张 丹.抽水蓄能机组定子槽楔大修工艺[J].大电机技术，2006（4）.

中图分类号：TM312

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2015）08-0059-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.08.017

收稿日期：2015-05-04

作者简介：周绍鸿（1981-），男，工程师，从事电气设备检修工作。