水轮发电机定子铁心端部冲片逸出原因分析及预防措施

刘世泽，岳文亭，肖先照，刘 宇，李 悦，武倩倩



水轮发电机定子铁心端部冲片逸出原因分析及预防措施

刘世泽1，岳文亭1，肖先照2，刘 宇2，李 悦2，武倩倩2

（1.国网甘肃省电力公司刘家峡水电厂，甘肃 永靖 731600；2. 哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040）

本文研究了水轮发电机定子铁心端部冲片逸出，割伤线圈主绝缘，导致绕组接地的问题。分析了冲片逸出的原因，总结了一些在结构设计、生产工艺和安装方面预防端部冲片逸出的措施。本文对定子铁心结构设计以及处理冲片逸出具有指导意义。

水轮发电机；定子铁心；冲片；逸出

0 前言

近年来，水轮发电机定子铁心端部冲片在径向移动逸出，割伤定子线棒主绝缘，屡屡造成定子绕组接地的事故，极大地威胁到电厂的安全生产。定子端部冲片逸出问题不是灯泡式水轮发电机所特有，越来越多的立式水轮发电机也同样发生此类事故[1-6]。此类接地故障点都发生在下层线棒的上、下端，处理困难，维修周期长，对电站造成的影响和经济损失巨大。行业内也越来越多的人开始关注、研究铁心端部冲片逸出的问题。经过多年的实践应用，广大工程技术人员总结了一些现场处理端部冲片逸出的有效措施，也提出了一些在技术方面改进的方案[6-8]。本文分析了定子铁心端部冲片逸出的原因，阐述了如何优化结构设计、生产和安装工艺来预防冲片逸出。

1 铁心端部冲片逸出问题

1.1 定子铁心结构

定子铁心用来固定定子绕组，也是磁路的重要组成部分，为水轮发电机定子的一个关键部件。发电机运行时，铁心受机械力、热应力及电磁力的综合作用[9]。定子铁心由扇形片，通风槽片、定位筋、齿压板、拉紧螺杆及固定部件组成。定子铁心通过冲片轭部鸽尾槽与定位筋相连，定位筋通过托块与定子机座连接为一个整体（或者定位筋直接焊接在定子机座上的死筋结构），如图1所示。为了减少发电机端部漏磁，定子铁心端部通常采用3段阶梯片结构，每段阶梯高度为6mm，各段阶梯片径向相差6mm，阶梯冲片采用粘接技术，保证铁心端部整体性。

1.2 铁心端部逸片现象

灯泡贯流式、立式水轮发电机组铁心端部冲片向径向方向移动逸出，割损线棒主绝缘造成定子绕组接地故障，如图2所示。冲片逸出的机组铁心结构既有穿心螺杆结构，也有背部拉杆结构；既有活动定位筋结构，也有死定位筋结构；既有大齿压板结构，也有小齿压板结构，几乎涵盖了所有应用结构。从机组发电至冲片逸出导致接地故障的时间从几年到二十多年，灯泡贯流式机组端部冲片逸出的时间要比立式机组短很多，见表1。冲片逸出的共同特点是驱动端铁心与齿压板相接触的第1张或紧接着的第2张冲片发生了窜动逸出，如图3所示。逸出的冲片在圆周方向上分布无规律，逸出的位移大小也不相同，线棒主绝缘损伤的程度也不同。

图1 定子铁心结构视图

图2 下层线棒主绝缘受损

表1 定子铁心端部冲片逸出机组情况统计表

图3 立式机组驱动端冲片逸出

2 铁心端部冲片逸出原因分析

尽管定子铁心结构多样，机组运行时受力也比较复杂，并且还受到制造、安装工艺等综合因素的影响。但通过对已发生端部冲片逸出的机组的结构型式、运行状况、安装工艺等方面进行对比后可知：

（1）电磁力是否会带动冲片使端部冲片逸出？铁心冲片装压时片间压力要求达到17~19MPa，以此计算得到的摩擦力远远大于机组运行时铁心冲片受到的电磁力。并且冲片逸出都是发生在铁心端部尤其是驱动端，如果是电磁力作用的结果，会是无规律的。因此，端部冲片逸出并非电磁力作用的结果。

（2）通过表1可知。各种结构型式的定子铁心均出现过端部冲片逸出现象，但这些结构也同样使用在其它电站的发电机组，而这些电站运行几十年并未出现铁心端部逸片现象。由此可见，端部冲片逸出与铁心结构无关。

（3）铁心在装压时压紧度不够会导致铁心整体性差或者松动，进而引起铁心翘曲变形，出现振动和噪声。严重的铁心翘曲变形会使粘接的端部阶梯片出现层间分离，造成冲片间的摩擦力减小[10,11]。在长期的铁心和机座热胀冷缩产生相对位移的情况下，下端冲片间会在摩擦力的作用下窜动逸出。但是通过对逸片的机组检查发现，大部分铁心并未出现翘曲变形。由此可见，铁心装压紧度不够可能会导致端部冲片逸出，但不是本质原因。

（4）定子铁心在运行的过程中受热应力的作用，这个力无法抗拒地存在。机组从冷态起动到热稳定，定子铁心和机座温度都会升高，产生膨胀位移。然而机组停机状态则会与之相反。由于铁心和机座温升不一样，材质不一样，铁心与机座便会产生相对位移。当端片和压指间存在摩擦力小于端片与其它片间的摩擦力时，则铁心作为一个整体在压指间滑动；当端片和压指间存在摩擦力大于端片与其它片间的摩擦力时，压指与端片长期摩擦力作用会使端部冲片（与压指接触的或者临近的冲片）与铁心其它冲片失去整体性，从而窜出逸片。对同一个电站多台机组对比可知，起动次数越平凡，端片逸出问题越严重。由此可知，热应力的作用使端部阶梯冲片产生位移是端部冲片逸出的本质所在。

3 端部冲片逸出的预防措施

针对端部冲片逸出的原因分析，以及对以往机组逸片资料的归纳和总结，在新结构设计、生产工艺、安装工艺等方面采取必要的改进措施，具体如下：

（1）端部阶梯片粘接在制造厂内进行，保证质量，是防止冲片窜动逸出的主要措施。根据铁心端部阶梯段的结构尺寸，在制造厂内采用3543硅钢片粘接胶，严格遵循边段硅钢片粘接工艺守则。制造厂内粘接端部冲片能克服现场安装工艺技术的不足，是保证片间粘接力大于齿压板与冲片间摩擦力的有力措施。

（2）端部阶梯片采用闭口槽设计。与原先半开口鸽尾槽结构相比较，闭口槽限位作用更强，铁心的整体性更好。

（3）首末段冲片的轭部绝缘销设置。为保持定子铁心首末段冲片的整体性，首末段冲片的轭部设置销孔，工地叠装时装入绝缘销，并用3543硅钢片粘接胶粘牢。绝缘销具有一定的抗剪切能力，与闭口槽配合使用，能很好地克服片间摩擦力的作用，防止冲片逸出。

（4）防止铁心松动的压紧结构。当铁心冲片轭部宽度大于215mm时，选择穿心螺杆结构，否则选择背部拉紧螺杆结构。铁心冲片片间压应力按1.7~1.9MPa进行设计，并设置可以保持铁心恒压的碟形弹簧，拉紧螺杆上端圆螺母设置背着的防松六角螺母。这些结构改进可以保持铁心在长时间运行和频繁起动等工况下，片间的压力保持在许用范围值内，铁心不易松动。

上述预防措施已经在居多灯泡贯流和立式水轮发电机组上得以实施，机组运行若干年未出现逸片迹象。

4 结论

水轮发电机定子铁心端部冲片逸出导致定子绕组接地是非常严重的事故，过去行业内技术人员对这个问题存在认识上的不足。随着逸片问题的不断出现尤其是运行几十年的立式水轮发电机组，设备制造厂和电站运维人员不断地总结经验，从本质上查找原因，从结构设计、制造和安装工艺方面不断地加以规范和改进，彻底解决了铁心端部逸片问题。

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Cause Analysis and Preventive Measures on the Escape of Punching Slice of Hydro-generator Stator End

LIU Shize1, YUE Wenting1, XIAO Xianzhao2, LIU Yu2, LI Yue2, WU Qianqian2

(1. Liujiaxia Hydro Power Station, Yongjing 731600, China;2. Harbin Electric Machinery Co., Ltd., Harbin 150040, China)

This paper deals with the problem of stator winding grounding caused by the escape of punching slice of hydro-generator stator end. It further analyses the causes of the escape of punching slice and summaries some measures to prevent the escape of punching slice from structural design, production process and installation process. This paper has guiding significance for the stator core structure design and treatment on the escape of punching slice.

hydro-generator; stator core; punching slice; escape

TM312

A

1000-3983(2017)06-0044-03

2017-01-15

刘世泽（1966-），1994年毕业于华北电力学院电力系统及其自动化专业，获工程学学士学位，高级工程师，国网甘肃刘家峡水电厂生产技术部主任工程师，高电压专业技术带头人。