浅析水轮发电机定子铁芯锈蚀及处理

2018-03-07陈平

水电与抽水蓄能 2018年1期

陈平

（国网公司东北长甸发电厂，辽宁省丹东市 118000）

0 引言

2013年，根据机组检修周期对太平湾发电厂三号机进行了B级检修，在检修工作中，发现了许多缺陷，其中定子铁芯表面局部产生锈蚀的现象引起了高度重视，因为锈蚀的产生说明铁芯一定存在某种故障，而铁芯是发电机定子的重要组成部分，同时也是主磁路的一部分，且定子铁芯槽内镶嵌有线圈，一旦铁芯发生故障，将导致定子线圈主绝缘受到损伤，引发定子绕组接地烧损的严重后果。因此，针对铁芯可能发生的故障进行分析，并介绍处理铁芯锈蚀的方法。

1 铁芯故障的原因分析

1.1 有效铁芯压装的变松引起铁芯故障

发电机运行过程中，在有效铁芯上作用很大的机械力。该力决定于电磁转矩，转子和定子之间的径向交变磁拉力及有效铁芯的自重。如果装压比较松，交变力导致有效铁芯圆筒和个别扇形片的松动，伴随出现噪声和齿的损坏。有效铁芯紧度变松的特征是：在它的表面或通风沟的深处出现锈蚀，这时表面可能完全是干燥的。震动片上的锈蚀是很稳定的，在生锈的部位涂上绝缘漆后，锈蚀仍不停止，因为在这个部位的漆膜很快被破坏。有效铁芯或它的个别区域压装变松的主要原因是：由于扇形片的厚度非常不均匀，定子鸽尾筋安装不准确，通风槽钢安装不准确，造成有效铁芯在制造厂时的叠装质量低劣，由于定子外壳震动大和螺帽的锁扣不可靠，使拉紧螺杆的螺帽旋出造成损坏。最常见的压装变松出现在定子边段齿区，它造成个别扇形冲片的损坏，并使压装继续变松，如图1所示。

图1 扇形冲片Fig.1 segmental lamination

太平湾发电厂发电机由于调峰频繁启动（每年70～80次），使发电机定子有效铁芯的温度变化范围达到50～70℃，发电机昼夜负荷不均匀，有功负荷变化200～130MW，无功负荷变化110～20Mvar，导致有效部分温度变化达25～30℃，发电机的功率因数接近1时，使定子端部边段铁芯漏磁通的轴向分量增加。试验数据表明，当TTB-200型发电机带200MW有功负荷，cosψ在0.85变动到1.0时，边段铁芯的磁感应轴向分量由0.615T增加到0.668T。这种结构的发电机边段铁芯的漏磁通较大，且阶梯悬臂太长。端部第一、第二段铁芯之间只有一个通风槽钢支撑，齿部有两个压指，边段铁芯开两个梯形沟到槽底，不能保证该段铁芯齿部叠装压力的均匀分布，在电磁力作用下引起铁芯上下端部叠片松动，导致瓢偏，在热循环期间瓢偏点的夹紧力减小，引起振动，导致叠片刺伤定子线棒绝缘而击穿。另外，铁芯的温度变形，可导致齿部边缘叠片折断。如图2所示。

1.2 铁芯片间绝缘的损坏引起有效铁芯的故障

发电机定子的有效铁芯是电机的重要部件之一，在整个运行期间，它应该具有规定的机械、磁和电的特性。太平湾发电厂机组定子铁芯是用厚度为0.35～0.5mm的扇形电工钢片叠成，每片有漆膜绝缘。由20片带漆膜的有效铁芯扇形片叠成，每段用1MPa的压力压装后，其最底电阻应不小于80Ω。

发电机的扇形片有一侧叠装在鸽尾筋上，因此全部扇形片通过鸽尾筋本身彼此呈现电气连接。当有效铁芯的齿或齿高部位的绝缘损坏时，就形成电流的闭合回路，如图3所示。这个电流产生的损耗与回路的有效电阻有关。可能达到很大的数值，引起很高的温度，一直发展到使有效铁芯熔化的严重事故。这很可能成为定子绕组绝缘破坏、与外壳短路以及相间短路的原因。因此，为了发电机可靠的运行，应该大力加强对有效铁芯的温度、压装及片间绝缘状态的监视。

图2 磁感应轴向分量曲线及铁芯端部结构简图Fig.2 Magnetic induction axial component curve and core end structure diagram

图3 齿部片间绝缘损坏时的电流回路Fig.3 Current strength of insulation damage between tooth parts

有效铁芯片间绝缘破坏和短路的原因：①硅钢片的边缘、经过冲压后加工面的边缘、在制造厂定子绕组下线前锉过的有效铁芯扇形的边缘等出现的毛刺（毛边）引起齿表面短路。②有效铁芯压装不紧，引起片间震动和片间绝缘破坏。③压装时采用的压力过大，超过2MPa，使片间绝缘破坏。④运行期间由于长时间高于1.1UN（额定电压）电压持续作用引起破坏。

1.3 电阻温度计损坏引起有效铁芯的故障

电阻温度计及其引线绝缘在运行中损坏，是较为常见的。如果电阻温度计绝缘损坏，在定子槽内出现对机壳短路，见图4，则在该电阻导线的引出端与机壳之间，出现基波频率的交流电压。这一电压是由穿过ABCD回路的磁通感应产生的，随着该回路尺寸的不同，电压数值可能达到几十甚至几百伏，后者是指轴向通风的发电机，在这些发电机中温度计导线沿着槽由定子端部引出。当然这个电阻温度计对汽轮发电机机壳的任意第二点短路，都会形成电流回路。假如，定子机壳的E点是第二个短路点，在ABCDE回路中就有电流，电流数值与回路电阻及短路点之间的感应电压数值有关。通常，电阻温度计的引线沿槽布设，从临近的铁芯段间的径向通风沟引出。由于ABCDE的面积小，故回路的感应电势和感应电流也小，这时未发现铁芯损坏。具有轴向通风系统的发电机，当电阻温度计本身或它的引线绝缘损坏时，可能损坏有效铁芯和绕组。

图4 当埋入式电阻温度计（AB之间）的绝缘损坏时所流电流回路Fig.4 Current loop when the insulation of the submerged resistance thermometer （AB） is damaged

对于电阻温度计埋在槽楔下面的水冷汽轮发电机，在重新打紧槽楔和更换定子线棒时，必须特别小心并注意电阻温度计引线的正确安装与铺设。

1.4 相间短路引起的定子铁芯损坏

当发电机出现一点接地时，如果接地电容电流和持续时间各超过一定数值，就可能伴随出现定子铁芯烧损事故。因此，随着单机容量增大，世界各国对于发电机单相接地保护要求越来越严格。法国ALSTHOM公司、日本三菱电机公司及苏联电力电气化部对于容量为150MW及以上的汽轮发电机、50MW及以上的水轮发电机和同步调相机，一旦发电机电压回路出现单相接地时，要求保护自动跳闸，如果保护拒动则应迅速减负荷并解列停机。我国原水利电力部《继电保护和安全自动装置规程》在这方面的规定比较灵活，提出采用经消弧线圈补偿的发电机，当定子绕组发生接地时，发电机电压回路的单相接地故障电流不准超过表1的规定。若是接地故障电流大于上述数值，接地保护带时限动作于信号。但是，当消弧线圈退出运行或由于其他原因，使残余电流大于接地电流允许值时，应切换为动作停机。对于100MW及以上的发电机，应该装设100%的定子接地保护，保护装置带时限动作于信号，根据系统情况和发电机绝缘情况，必要时也可以动作跳闸。

表1 接地电流数值Tab.1 Ground current value

2 定子铁芯产生锈蚀的原因

鉴于以上的分析，并通过现场有针对性地检查，发现产生锈蚀附近的个别齿压板上的螺帽松动，铁芯锈蚀处的压指与铁芯冲片之间有缝隙，最小为0.5mm，最大为1.2mm，而无锈蚀之处的压指与扇形片之间非常严实，因此，可断定铁芯齿部表面锈蚀的产生，是由于铁芯冲片在安装时工艺不严谨，投入运行时间较长，在机械力、电磁力和机械震动等的作用下，导致定子铁芯局部松动所产生的。在实际工作中有些机组定子槽楔附近铁芯上的锈蚀，可能是酚醛层压布板槽楔磨损后产生的，应注意与铁芯锈蚀相区别。另外，通过高压电气试验检测，电阻温度计绝缘良好，定子绕组无短路现象，因此，可排除电阻温度计绝缘损坏和定子绕组短路引起铁芯故障的可能性。

3 处理方法及效果

3.1 处理方法

（1）先用0.3mm厚的绝缘板制成的刮刀将铁芯表面的锈斑完全清除，然后用毛刷仔细刷净，再用干燥的压缩空气吹扫干净。

（2）用无水乙醇将清除锈蚀后的铁芯表面清扫干净并烘干。

（3）在铁芯冲片间插入用环氧树脂黏合剂浸渍的薄云母片或环氧玻璃布片，灌入同一牌号的液体绝缘漆。

（4）退出锈蚀部位的槽楔，用磨成窄而薄的专门的钢片把齿撬开，在撬开的缝隙塞入黏满黏合剂的楔片，使铁芯紧固。

（5）齿压板上松动的螺帽用电焊点焊紧固。

3.2 处理后达到的效果

有效铁芯整体或部分松动，都属于不正常现象，必须予以消除。有效铁芯压装普遍变松的情况是很少见的，解决这种变松的问题，需要根据每一具体情况，具体地加以解决。应该指出，用紧压圈压紧铁芯的方法是不允许的，因为这种方法存在损坏定子绕组绝缘的危险。另外，在紧压圈上加附加压力时，只能使很短的一段铁芯叠片压紧，所以通常都达不到预期的目的。本次采用铁芯局部处理的方法，发电机组检修后投入运行良好。经过2013年秋检及2014年春检两次C级检修，检修人员进行了严格检查，未发现类似的锈蚀现象发生，说明本次处理定子铁芯局部松动的方法是成功的。

许多事故的发生都与电机设计及制造质量有关，同时，也反映出运行维护方面尚存在不少问题，需要大力提高运行维护特别是检修人员的技术水平，从而保证发电机长期安全、经济、可靠地提供电力。

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