某抽水蓄能电站磁极阻尼环脱槽变形故障分析及处理

李 华，陈泓宇

（南方电网调峰调频发电公司清远蓄能发电有限公司，广东省清远市 511853）

某抽水蓄能电站磁极阻尼环脱槽变形故障分析及处理

李 华，陈泓宇

（南方电网调峰调频发电公司清远蓄能发电有限公司，广东省清远市 511853）

某抽水蓄能电站3号机组在进行过速试验（120%额定转速）后出现1号磁极下端部的阻尼环单侧脱槽下坠、连接片变形现象。对此，本文重点介绍了阻尼环脱槽原因分析、提出了可靠的解决方案及合理化建议，对类似新建电站有着重要的参考价值。

发电机；磁极；阻尼环；故障处理

0 引言

目前，少数水电站机组在过速时出现阻尼环脱槽现象，有的甚至“扫膛”，影响极大。如某抽水蓄能电站（以下简称“该蓄”）3号机组在过速试验（120%额定转速）后进行的例行检查中发现1号磁极下端部的阻尼环单侧脱槽下坠、连接片变形。通过内窥镜检查发现阻尼条与阻尼环焊接处有轻微变形，迹象显示，阻尼环悬臂部分在机组过速离心力作用下脱槽变形。对此，本文重点介绍了阻尼环脱槽问题原因分析、处理措施及合理化建议。

1 该蓄磁极阻尼环结构简介

为了抑制转子自由振荡、削弱过电压倍数，提高发电机承担不对称负荷的能力和加速自同步过程，从而提高电力系统运行稳定性，水轮发电机都设置了阻尼绕组。阻尼绕组一般由阻尼条、阻尼环和连接片（杆）组成，阻尼环的交接部分，伸出极靴之外，相当于一端固定的悬臂梁。对于高速电机，它所承受离心力是较大的，阻尼环悬出部位的弯曲应力就有可能大于失稳强度。而由于阻尼环交轴部分失稳，阻尼环扭弯，造成定子绕组损毁的事故不乏其例。水轮发电机转子上阻尼绕组的阻尼环及其连接片在运行中出现位移刮碰到定子线圈绕组绝缘的事故在某些电站也时有发生。

如图1所示，该蓄转子磁极由7根ϕ23铜质阻尼条穿磁极铁芯连接（银铜焊）上、下阻尼环，阻尼环两端由软连接片螺栓把合形成纵、横向结构的阻尼绕组。从图2和图3可以看出，阻尼环两端的悬臂长度达到350mm，其可能产生的离心力主要靠磁极极靴嵌入阻尼环的8mm×870mm×6mm的凹槽承受。图4显示，极靴凸台嵌入阻尼环凹槽的设计深度为5mm，磁极外侧极靴与阻尼环的间隙设计值为7mm，内侧为2mm。

2 阻尼环脱槽故障初析

目前，水轮发电机阻尼环结构形式主要有以下三种：阻尼环不贴靠极靴，沿极弧设置与阻尼条焊接相连，如图5所示局部剖面图。

图1 磁极铁芯装配Fig.1 Magnetic pole iron core assembly

阻尼环开有弧形槽，极靴上设置凸台与之配合固定，如图3所示。在这种结构中，阻尼环凹槽深度约为阻尼环厚度的1/2。

通常可用式（1）粗略判定阻尼绕组是否需要加固，该蓄的计算结果是：

式中Di——定子铁芯内径（cm），该蓄为ϕ530cm；

nr——飞逸转速（r/min），该蓄为690r/min；

2p——磁极数，该蓄为14。

当B＜0.6×109时阻尼环可采用图5方式；当0.6×109＜B＜2.1×109时，阻尼环可采用图6所示的钢销钉加固方式；而该蓄的B=9.55×109＞2.1×109，则应采用磁极压板凸台固定方式。

当然，对于该蓄这样的高转速机组，利用拉杆+连接片也参与承受阻尼环伸出端的离心力。

如前所述，该蓄转子阻尼环的悬臂长度达到350mm，相对于惠蓄的244.5mm（如图7所示）其离心力要大得多。同样，由于该蓄的阻尼条比较集中于磁极中部，其悬臂所形成的离心力也比蒲石河、响水涧等电站要大，如图8和图9所示。因此，在阻尼环脱槽的情况下，机组过速或飞逸转速下离心力形成的弯矩必然会使得阻尼环和连接片变形。

(一)上马石和银庭寺。古道通过的里湾村口有一上马峧(gǎo)，峧中有两方大石，高约1.2～1.6米，当地村民称这两方大石为王羲之的上马石；里、外湾村的村民们叫庵基岗的地方，龙皇堂村民称为银庭寺，当地村民说：“先有银庭寺，后有金庭观，古代是这样传下来的。”

阻尼环脱槽成因剖析：

2.1 结构设计

（1）该蓄阻尼环凹槽深度只有环板厚度的1/3，即1/3×18=6mm，较多电站的阻尼环凹槽深度一般为阻尼环厚度1/2。磁极压板凸台入槽设计值约5mm，也有脱槽的风险。

图2 阻尼环A-A视图Fig.2 Damping ring A-A view

图3 磁极阻尼环Fig.3 Magnetic Pole damping ring

图4 阻尼环与极靴配合详图Fig.4 The detail of the damping ring and the pole shoe

图5 焊接式Fig.5 Way welding

图6 焊接及固定式Fig.6 Way welding and stationary way

图7 惠蓄转子阻尼环Fig.7 Rotor damping ring of “Hui Pumped storge”

图8 响水涧电站磁极Fig.8 Magnetic pole of “Xiang shuijian plant”

图9 蒲石河电站磁极Fig.9 Magnetic pole of “Pu shihe plant”

（2）惠蓄、响水涧电站等把凸台设置在阻尼环上的设计较之该蓄在阻尼环上开凹槽的结构设计会较大增强阻尼环的刚度，如图10所示惠蓄阻尼环的A-A视图，其800mm×25mm×10mm的凸台就是明显的例证。

2.2 质检点有疏漏

（1）在制造安装过程中装配工艺不够严密，如磁极压板凸台与阻尼环的凹糟装配误差大，有的甚至处于脱槽状态。如图11所示，4号机磁极挂装完成尚未装配连接片，而部分阻尼环与磁极压板的凸台处于脱槽状态。

图10 惠蓄阻尼环截面Fig.10 Damping ring cross section of “Hui Pumped storge”

（2）经检测，3号机1号磁极阻尼条部位阻尼环与极靴间隙（外部，即图4“C”部位）均是正常的（小于或等于7mm），2～14号磁极的压板凸台也均在阻尼环槽内，其上部约有20%，下部约有36%的间隙值超过了厂家6.0～7.5mm的设定值，见表1。

图11 4号机某磁极Fig.11 Magnetic pole of #4

表1 3号机磁极阻尼环与极靴间隙值Tab.1 Magnetic pole damping ring and pole shoe clearance value of #3 unit

（3）同样，检测1号机阻尼环均无脱槽现象，但“C”部位间隙测量数据（见表2）表明，上部约有38%、下部约有67%的间隙值超过了厂家6.0～7.5mm的设定值。

表2 1号机磁极阻尼环与极靴间隙值Tab.2 Magnetic pole damping ring and pole shoe clearance value of #1 unit

（4）同样，检测2号机阻尼环均无脱槽现象，但“C”部位间隙测量数据（见表3）表明，上部约有31%、下部约有46%的间隙值超过了厂家6.0～7.5mm的设定值。

表3 2号机磁极阻尼环与极靴间隙值Tab.3 Magnetic pole damping ring and pole shoe clearance value of #2 unit

2.3 运行中不可预见因素的影响

（1）运行中由于磁极温度上升，铜质阻尼条因其膨胀系数明显高于铁芯部件，使得阻尼环向上下两侧伸长（据厂家介绍，平均单侧伸长量为1.57mm左右）而减少入槽深度，这种情况尤以下部阻尼环更其突出。因此，原入槽深度不足部位就有可能在甩负荷、过速（甚至飞逸）工况下脱槽造成阻尼环变形。如若机组突发不对称短路运行时，则极靴以外的阻尼环端头和连接片便有可能产生塑性变形甚至触碰、刮坏定子线圈，这样的事故曾在一些电站发生过，不能不引起高度重视。

（2）由于3号机（原1号机）转子铁芯叠压时系在油压机卸压情况下使用扭力扳手实施压紧形成铁芯片间29kgf/cm2压应力的，在拉紧螺杆偏离磁极铁芯重心形成一个对铁芯整体的扭曲力矩的情况下所产生的内应力，在机组运行中受到振动、温度的影响而释放也有可能与阻尼环的变形有关。

3 现场处理

对于3号机组1号磁极下端部的阻尼环脱槽问题，根据厂家提出的方案，采取撬棍+塑料锤敲击的方式将脱槽的阻尼环径向调整至槽口，并用千斤顶顶入槽，并尽可能消除了应力，基本达到预期装配效果，如图12所示。

图12 处理方法Fig.12 Treatment methods

处理过程中，主要检测阻尼环与极靴内外侧间隙（如图13及图4之“C”“D”所示），见表4。

表4 3号机1号磁极阻尼环与极靴间隙值Tab.4 #1 Magnetic pole damping ring and pole shoe clearance value of #3 unit

其他阻尼环内外侧间隙超标部分，采用塑料锤敲打的方式处理，最终处理结果基本达到了图4的“C”点间隙小于或等于7.5mm及“D”点间隙小于或等于3.5mm的设计要求。

处理完成后，3号机组继续进行调试试验，在3号机组进行50%、75%、100%甩负荷后检查阻尼环与极靴间隙基本无变化，在1号机、2号机、3号机同甩负荷试验后检查阻尼环与极靴间隙变化也甚微，表明采用以上处理方法有效可行，但是否满足机组长期正常运行，还需要观察。

4 结语与建议

4.1 设计修改

在阻尼环刚度没有影响的情况下，建议采用常规设计，若采用偏小的槽深设计方式，在阻尼条温升、磁极压板凸台、阻尼环凹槽加工误差以及阻尼条焊接变形等诸多因素影响下加大了阻尼环脱槽的可能性。

优化阻尼条的布置结构适当减小阻尼环悬臂长度以削弱离心力的影响。

鉴于在结构设计上允许采取销钉固定阻尼环在磁极压板上的方式，建议对下部阻尼环采取装配同材质铜销钉（每块阻尼环用2～4颗），其销钉头部采用银铜焊点焊固定。

4.2 制造安装

充分估量阻尼条焊接对阻尼环变形的影响，在可能情况下采取合适的反变形措施。将磁极压板凸台入槽深度（即“C”“D”间隙值）的设计值及其公差范围明确作为车间验收的质量标准，现场安装验收时，增加阻尼环入槽深度测量环节。

4.3 运行检修建议

对于该蓄电站的阻尼环设计特点，在运行过程中，如果出现长时间运行，而且密集频繁多次甩负荷，有必要隔离机组检查阻尼环入槽的情况；如果出现阻尼环与极靴间隙值增大，可用塑料锤敲打减小阻尼环与极靴间隙，但如果用以上所述修改设计的方法处理或许对机组长期安全稳定运行更有利。

图13 阻尼环调整测量点Fig.13 Damping ring adjustment measuring point

[1] 陈安礼，聂志德.乌江渡发电厂扩建工程机组转子阻尼环故障分析及处理方法[J].贵州水力发电，2014，18（1）：40-41.Chen Anli，Nie Zhide.Fault analysis and treatment method for rotor damping ring of unit in Wu jiang-du power plant expansion project [J].Guizhou Water Power，2014，18 （1）： 40-41.

[2] 夏惠珍，斯子花.水轮发电机阻尼环改进设计[J].电机与控制应用，2003，30（03）：77-78.Xia Huizhen，Si Zi Hua.Improvement design of damping ring for hydraulic turbine generator [J].Electric Machines & Control Application，2003，30 （03）： 77-78.

2016-08-13

2016-11-01

李 华（1982—），男，工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站机电建设及生产维护。E-mail：13926169862@163.com

陈泓宇（1975—），男，工程师，主要研究方向：电力系统运行检修和基建工作。E-mail：542120791@qq.com

Analysis and Treatment of Removing Groove and Deformation of the Pole Damping Ring of The Pumped Storage Power Station

LI Hua，CHEN Hongyu
（CSG Power Generation Company Qingyuan Pumped Storage Power Co.， Ltd.，Qingyuan 511853，China）

#3 unit of the Pumped Storage Power Station in a overspeed test （120% of rated speed） appears the lower end of #1 magnetic pole damping ring unilateral removing groove and falling，and the connecting sheet deformation phenomenon.so，this paper focuses on the analysis of the cause of the damping ring removing groove，and puts forward the reliable solution and reasonable suggestions.It has important reference value for the similar new building power plant.

generator; magnetic pole; damping ring; fault treatment

TM 312

B学科代码：570

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.016