抽水蓄能电站发电机定子穿心螺杆绝缘研究

宋 轩，郑 越，李坤鹏

（河南国网宝泉抽水蓄能有限公司，河南 新乡453636）

1 引言

发电机定子穿心螺杆主要是用来固定定子铁心的，由于水轮发电机组正常运行时定子穿心螺杆处于交变的磁场中，会产生一定的感应电压，定子铁心、机座及定位筋等部件属于接地设备，如果绝缘损坏，将会形成导通回路，在螺杆感应电压下形成环流造成螺杆、铁心等部件绝缘的损坏、部件过热甚至烧损[1-2]，从而造成发电机事故。

本文根据宝泉电站在进行发电机开路试验时出现的定子铁心烧损现象，对定子穿心螺杆绝缘结构进行分析研究，并对其进行优化处理，避免事故再次发生，为本电站稳定运行提供保障，同时为其他电站和设计单位对定子穿心螺杆绝缘的设计和选择具有一定的参考价值。

2 存在的问题

该电站发电机组在进行开路试验过程中，当定子电压升至1.25倍额定电压时，发电机风洞内部发出异味，同时有火星从发电机内部并经过空气冷却器通风沟喷出，立即停机，此时监控系统监视到发电机定子铁心温度测点一处显示116 ℃（未达到报警和跳机值）。经检查，该电站4号机组出现定子铁心烧损现象，有19根穿心螺杆接地。

该机组定子穿心螺杆共计57根，均匀分布一周。其中正上游为1号螺杆，按瞬时针方向依次进行编号。烧损螺杆为32号，定子穿心螺杆分布图如图1所示。

图1 定子穿心螺杆分布图

在机组停机稳态并进行隔离后对定子铁心及穿心螺杆进行检查，主要发现以下问题：

（1）定子叠片定位筋与定子叠片之间存在放电现象。

（2）定子叠片与定子叠片齿压板之间存在放电现象。

（3）定子穿心螺杆与绝缘衬套接触面存在锈迹。

（4）定子端部绝缘套管已熔断。

（5）定子铁心32号螺杆已烧损并熔断，其他部分螺杆存在放电现象。如图2所示。

图2 已熔断的32号螺杆及表面存在的放电痕迹

为保证机组安全运行，本文针对发电机开路试验时出现的定子铁心烧损现象进行研究分析。

3 故障分析

3.1 定子铁心及穿心螺杆绝缘结构组成

定子铁心由带有9个齿的硅钢片叠压而成。每个圆周共19张硅钢片，相互叠压，铁心下部放置在与定子机座底部焊接在一起的下环板上，逐层叠至顶部，外圆与定位筋进行配套安装，顶部安装有齿压板，最终由57根穿心螺杆按照设计力矩进行紧固。定子普通硅钢片厚度均为0.35 mm，通风沟槽片由5 mm高的T型键和0.5 mm厚的硅钢片焊接而成。

每根定子穿心螺杆绝缘结构主要包括：上下端部绝缘垫圈、上下端部绝缘套管及中间部位的绝缘衬套组成。其中绝缘垫圈上下各1个，绝缘套管上下各1个，中间部位绝缘衬套16个。具体结构如图3、图 4所示。

图3 定子穿心螺杆顶部结构图

3.2 定子铁心及穿心螺杆绝缘结构分析

该电站定子铁心及螺杆绝缘结构在最初设计中，穿心螺杆绝缘结构是分段式的，在中间部位绝缘衬套的顶部2层通风沟之间形成一段“盲区”，即穿心螺杆、绝缘衬套及定子铁心之间形成的区域，这个区域在机组安装或后期运行过程中都会积累杂质。矩形标注处即为“盲区”，如图5所示。

图4 定子穿心螺杆底部结构图

图5 定子铁心及穿心螺杆绝缘结构存在的“盲区”

该电站定子铁心的穿心螺杆设计为分段结构存在“盲区”，从而导致风洞内的金属粉尘通过定子铁心通风沟进入穿心螺杆周围的间隙，造成穿心螺杆与铁心存在多点短路。穿心螺杆上的感应电压因短路而产生巨大的短路电流，并形成放电弧光，因而最终烧坏穿心螺杆与铁心。

3.3 定子铁心穿心螺杆运行时感应电压的计算

（1）计算前提条件：假设当定子铁心穿心螺杆上2点接地故障被认为位于螺杆的各末端上，此时感应电压最大。

（2）假定螺杆的径向位置处在楔槽的底部，该螺杆感应电压与槽内定子绕组的单根线棒中感应电压值等同。该穿心螺杆或定子线棒的电压是由以下公式计算[3]：

其中，U：定子的额定电压；U=18 000 V

Z：每个并联回路和每一相的串联的线棒数；Z=38

kb：绕组因数； kb=0.926

计算结果：Ubar=295 V

但是，对于该机组定子穿心螺杆实际位置位于距离定子铁心后部232 mm（hb）的铁心磁轭内部。从楔槽的底部到外部定位筋的槽的高度大约410 mm（h）j，假定电压与到楔槽底部的距离成反比例，那么实际螺杆感应电压将为：

定子铁心及螺杆烧损后57根螺杆绝缘电阻测量，测量数值如表1所示。

由以上计算可知，电阻值较小，在感应电压作用下形成较大循环电流，导致螺杆及铁心烧损。

3.4 定子穿心螺杆绝缘衬套检测分析

为找出该电站4号机螺杆存在锈迹原因及便于最终事故分析，对存在锈迹的绝缘衬套任意选取2个送到制造厂实验室进行化学成分分析。

3.4.1 电气性能试验

根据CEI60093及相关试验标准对该样品进行电阻率测量。

绝缘衬套电阻测量结果如表2所示。

3.4.2 化学分析

化学分析采用2种方法进行。第1种方法是红外光谱法，用于测量环氧树脂衬套的基本化学组成成分；第2种方法是热量测定和热重分析法，在基本化学组成成分分析的基础上获取更多的相关信息。

通过进行化学成分分析，得出如下结论：绝缘衬套中含有玻璃纤维和酚醛树脂，金属含量较大约0.6%，尤其含铁、铝成分多，影响绝缘衬套的绝缘性能。

研究结果表明：该电站定子穿心螺杆绝缘衬套含金属成分略大导致其绝缘性能降低，加之电站定子铁心及螺杆绝缘结构采用分段式，在中间部位绝缘衬套的顶部2层通风沟之间形成一段“盲区”，导致风洞内的金属粉尘通过定子铁心通风沟进入穿心螺杆周围的间隙，造成穿心螺杆与铁心存在多点短路。绝缘破损后，穿心螺杆上的感应电压因短路将产生巨大的短路电流，电流数量级大致在千安级别，并形成放电弧光，因而最终烧坏穿心螺杆与铁心。

针对4号机定子铁心及穿心螺杆烧损的故障分析原因，从有效解决“盲区”方面进行研究。此次绝缘结构改进从以下几方面进行严格控制：

（1）更换全部定子穿心螺杆，并将定子穿心螺杆表面涂刷2次绝缘漆，测量其绝缘电阻不低于1GΩ；

（2）更换原有的绝缘衬套，将衬套的上部进行延伸与上一层通风沟底部平齐，以有效消除“盲区”，新的绝缘衬套结构如图6、图7所示。

图6 新绝缘衬套后结构图

图7 新绝缘衬套尺寸图

（3）对新的绝缘衬套进行严格质量控制，确保其金属成分满足技术要求，以提升其绝缘性能。

该电站4号机定子穿心螺杆绝缘结构改进后，对4号机定子铁心绝缘电阻值进行测量，结果表明，测量的螺杆绝缘电阻满足设计要求。

将以上改进措施用于电站其他机组，在近3年的运行中，从未出现过螺杆接地现象，也从未开展定期铁心及螺杆吹扫工作。综上所述，对该电站4号机定子穿心螺杆绝缘结构的改进效果良好，其改进措施也适用于其他相似机组。

4 结论

根据宝泉电站在进行发电机开路试验时出现的定子铁心烧损现象，本文对穿心螺杆绝缘结构进行研究分析，研究发现：分段式绝缘结构存在“盲区”；穿心螺杆绝缘衬套金属成分略大，导致回路电阻小，最终形成较大循环电流因而烧损螺杆及铁心。本文根据研究结果对定子穿心螺杆绝缘结构进行改进以消除“盲区”，对定子穿心螺杆进行更换，并在改进后对其电阻值进行测量，满足设计要求，改进效果良好，有效解决了4号机定子穿心螺杆绝缘降低现象，为电站后期稳定运行提供保障，同时也为其他电站和设计单位解决相似问题提供依据。