水轮发电机定子铁芯变形故障分析及处理措施探究

摘要：发电机性能的重要影响因素是定子铁芯松动问题，因此对于定子铁芯出现的故障进行分析，从设计到运行全流程加以研究并提出有针对性的解决措施，对于解决故障，排除隐患具有重要意义。文章围绕水轮发电机定子铁芯变形以及故障处理的措施展开论述，结合实际案例进行系统的阐述。

关键词：水轮发电机；定子铁芯；变形故障；故障处理措施；定子改造工程 文献標识码：A

中图分类号：TM312 文章编号：1009-2374（2017）06-0167-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.084

广西水利电力建设集团组织施工的梧州京南电站发电机定子改造工程，主要针对发电机组中定子铁芯松动变形的情况加以改造。作为桂江流域的第五级电站，京南电站安装的两台单机为34.5MW的灯泡贯流式机组。发电机为进口设备，分别出现过两相短路和定子线圈对地击穿的短路事故。经过检查后发现是定子铁芯松动变形造成的。事后对定子铁芯松动部分和线棒的损坏部分进行了处理，但是没有解决根本性的问题。为了保证发电机组的安全稳定运行，在对发电机定子铁芯进行故障原因分析的基础上进行了改造工程。

1 原有发电机定子铁芯故障问题

经过对京南电站发电机定子铁芯存在的松动和变形问题进行了查找之后，发现的问题包括：原生产厂家在设计上存在问题，如铁芯冲片设计的轭宽和槽深的比例有不合理的情况；定位筋上采用的固定鸽围尾筋以及发电机定子铁芯热膨胀的变形缺乏预防措施的问题，铁芯压紧的结构不合理的情况；背拉式拉紧螺杆对铁芯的压紧不利造成强度不足的情况；铁芯没有采用分段压紧的情况以及内部压紧力不均匀的情况等。

2 原发电机出现定子铁芯故障的原因

第一，京南电站的水轮发电机设计为单轴卧式结构，与水轮机共用一根主轴，轴两端分别通过法兰与转子和水轮机转轮连接，主要由定子、转子、组合式推力导轴承、冷却套、灯泡头等部件组成。发电机产生的扭矩、部分径向力和轴向力通过水轮机管形座内、外壳体传递至厂房基础。

励磁由一套静止可控硅整流装置提供，励磁电流通过碳刷和滑环输送至转子，滑环和碳刷安装在发电机转子轮毂上游侧。在上游侧灯泡体顶部设置有垂直进出竖井，便于工作人员进入发电机内部进行检查和维护，动力电缆、励磁电缆、控制和信号电缆以及冷却水管和转轮接力器操作油管均通过进出竖井引出。

第二，发电机在经过长时间的运行后，由于机体的温度的升高，使得定子铁芯在高温的作用下不断膨胀变形，造成凹槽或者断齿的情况发生。由于铁芯和机械转自的外径不在共轴的状态，使得一些气隙相对较窄的区域出现了磁拉力，加剧了铁芯部分的变形，导致齿压板和冲片齿的分离。机械钟的硅钢片容易在机器的激烈振动下发生破碎，最终导致元件的凹槽形损伤。

第三，发电机械的工作使得机体的温度升高，因此机器中的定子铁芯出现了波浪形的振动，出现定子核心偏离和脱离的故障。

第四，机器附近的空气中的尘埃，导致机器中的油液相互依附，累积在定子元件的线圈以及铁芯部分中。随着油雾的增加，定子元件的通风口遭到了堵塞，使得设备无法通风散热。

3 原定子铁芯结构特点分析

定子主要由定子框架、铁芯和绕组等部件组成。定子框架由焊接钢环构成，上下游侧都设有焊接法兰，框架设计具有刚性和防震结构，其内部形成空气流动的冷却通道。定子分两瓣制造，叠片和下线在制造厂内完成，工地组合后焊接成整体，进行合缝下线。定子铁芯采用0.5mm厚高质量硅钢片半搭接叠装而成，每块硅钢片冲压和磨光后，在每一面涂上绝缘漆。铁芯采用楔形接合法，固定在定子框架上。铁芯分层叠装，层间叠放I形高硬度间隔棒，定子铁芯的压紧是在上游侧采用一个钢压环焊接固定在定子机架上，下游侧用带压力齿的分段端板将铁芯均匀地压紧，保证铁芯齿面全周长保持均匀压力。定子绕组为整距槽形双层波绕组，每槽有上下两层绕组。定子绕组为棒型线圈，每一线棒由若干根铜导线组成，单个导体由玻璃纤维丝带绝缘，整根线棒由多层云母叠层绝缘，经净化处理并浸渍环氧树脂。为防止放电，铁芯槽内每根线棒全长附有不溶性半导体护层。线棒装入定子槽，在槽中采用硅橡胶进行固化处理，定子槽由楔形基础材料封闭并用硅橡胶进行固定。定子绕组为星形连接，6个出线端，各相主引出线从垂直进出竖井引出；中性引出线引至布置在灯泡头内部的电流互感器，在电流互感器之后短接成中性点。

4 改造方案及改装后的发电机定子参数以及特性

4.1 改造的具体措施

经过对发电机定子铁芯的勘察和研究后，技术人员提出了改造的具体措施为：整体更换定子铁芯和线棒，计算发电机的刚度；综合考虑定子铁芯和线棒，改善线棒和铁芯的温度；综合京南电站的水文情况，成立专业技术团队，与技术厂家进行调研和分析，确保方案能够顺利实施。

4.2 电气试验

经过改造后，采用了一系列的电气试验：包括绕组对机壳及绕组相互间绝缘电阻的测定；绕组在实际冷态下直流电阻的测定；稳态短路特性及空载特性的测定；发电机绕组直流耐压试验及交流耐压试验；定子铁芯磁化（铁损）试验测温元件绝缘电阻测定；轴承绝缘电阻测定及温度测定；轴电压测定；定子绕组匝间绝缘介电强度试验；转子每个磁极交流阻抗测定；定子对地电容电流测定；定子绕组擎体起晕电压试验等。

4.2.1 机械特性。

第一，发电机定子及与其直接和间接连接的辅机应能在最大飞逸转速下运行5min而不产生有害变形及接头开焊等情况。

第二，发电机定子应从机械角度设计成能连续承受工作应力和安全系数中规定范围内的应力，发电机定子结构强度应能承受在额定转速及空载电压等于105%额定电压下。

第三，当发生机端短路或半数磁极短路时，发电机定子应不产生有害的变形和损坏轴承。发电机定子结构强度应承受地震烈度Ⅵ度的情况下，不产生有害变形和造成破坏性损坏。

4.2.2 定子结构要求。定子包括了机座、铁芯、绕组等部件，机座的刚度应满足放置的位置以及起吊的方式中的受力和变形的要求，叠片采用了高导磁率、低损耗、冷轧薄矽钢片；定子绕组采用星形连接，线棒的主绝缘采用真空压力浸渍法以及其他技术，绝缘材料采用玻璃丝带、云母板、环氧树脂等材料，槽垫片不能使用低于F级绝缘的材料。定子绕组导体材料采用的是退火铜，导电性能良好，没有裂片、裂纹、粗糙的斑点和尖角。所有定子的端箍均使用非磁性材料制造。

4.2.3 定子更换后的电气主要参数。定子更换后的电气主要参数如表1所示。

4.2.4 电气特性。当定子绕组接成正常工作接法时，在空载及额定电压下，线电压波形正弦性畸变率不超过5%。在空载额定电压和额定转速时，线电压的电压谐波因数不应超过1.5%。发电机定子绕组应能承受以下规定的交流50Hz工频电压有效值历时1min试验而不被击穿。在交流耐压前应对定子绕组进行3倍额定电压的直流耐压和泄漏电流测定。试验时按每级0.5倍额定电压分阶段升高，每阶段停留1min，其泄漏电流应不随时间延长而增大。各相泄漏电流的差值应不大于最小值的50%。定子单个线棒应在1.5倍额定线电压下不起晕；整机耐压时，槽部和端部应在1.1倍额定线电压下不起晕。

4.2.5 定子温度检测。每臺发电机均应配有电阻式测温元件，供计算机温度巡检以及报警和跳闸用，定子绕组和铁芯的温度测量采用埋置检温计法。电阻式温度信号探测元件均采用单支铂电阻，在0℃时，其电阻值100±0.1Ω，每个探测元件均用4根引线接至发电机端子箱中的端子排上。测温元件的外壳应绝缘。导线应绝缘和外套应耐油，并具有屏蔽使电磁干扰最小。检温计的敏感点应与线圈或被测表面紧密接触，并有足够的防护措施，以防受到冷却介质的影响。

5 结语

实施改造工程后，定子铁芯的工作效率得到了提高，磁路的饱和程度得到了降低，而且铁芯没有再出现短路等情况，也没有出现定子中间的缝隙不畅的情况。因此本次改造工程的效果是令人满意的，取得了较为理想的故障处理效果。

参考文献

[1] 党晓强，邰能灵，王海田，等.大型水轮发电机定子接地方式及其继电保护的相关问题分析[J].电力自动化设备，2012，32（7）.

[2] 阮琳，陈金秀，顾国彪，等.1000MW水轮发电机定子空冷和蒸发冷却方式的对比分析[J].电工电能新技术，2014，（9）.

[3] 石伟.水轮发电机定子冲片的刷漆技术[J].科技创新与应用，2014，（29）.

[4] 韩波，李香华.水轮发电机定子绝缘盒开裂流胶缺陷分析及处理[J].大电机技术，2014，（3）.

[5] 李伟力，宋厚彬，杨逢瑜，等.水轮发电机通风散热系统多场耦合的数值分析[J].电机与控制学报，2013，17（10）.

作者简介：覃飞庆（1976-），男，广西梧州人，供职于广西梧州桂江电力有限公司，研究方向：库区事务部电气设备维护。

（责任编辑：小 燕）