发电机定子铁心穿心螺杆绝缘工艺改进及应用

郭玉恒，谢 林

（二滩水力发电厂，四川 攀枝花 617000）

根据市场调查，采用喷涂绝缘漆或分段绝缘套筒的穿心螺杆，由于运输过程中对绝缘漆面的损伤以及其与铁心之间形成的空间未彻底密闭，在较大的电磁力矩往复作用下和被填充的油污、铁粉形成的潮湿环境及强腐蚀性物质空间内，绝缘漆易损伤，为电回路的形成提供条件，可能造成穿心螺杆疲劳断裂、受热熔断和铁心烧熔等现象[1]，严重危及机组安全稳定运行。本文主要从穿心螺杆的作用和结构，分析了喷涂绝缘漆脱落的原因及带来的危害，提出了采用环氧树脂材料全通长套装结构绝缘套筒改进措施，并在二滩水电站2号机组改造中得以应用。

1 穿心螺杆作用

发电机定子铁心一般采用0.3～0.5 mm的无取向硅钢片叠压而成，为了确保片间压力满足一定压紧要求，保证机组在经过长期运行后铁心不会松动，工程中主要采用背部拉紧螺杆方式和穿心螺杆方式，给铁心施加一定的压力。即穿心螺杆的作用是在定子铁心中向冲片施加压力，使发电机的定子铁心受到轴向的压力，防止铁心在感应电磁转矩和定转子间的径向交变磁拉力的作用下导致铁心叠片振动而造成线棒绝缘磨损破坏和叠片损坏，从而造成发电机事故。

2 穿心螺杆结构

根据铁心的高度及拉紧力要求，选用具有一定允许应力和屈服力的钢材制作而成。穿心螺杆主要由双头螺杆、压力挡圈、碟簧、螺帽和绝缘垫圈组成。在螺杆上端通过碟簧与压力挡圈配合来保证弹性压紧效果并实现螺杆预压防松。正常情况下，螺杆与定子机座下环板、上下齿压板、定子铁心之间均不直接接触。下端部通过绝缘垫圈实现与机座下环板隔离；中部通过喷涂绝缘漆或安装分段绝缘套筒实现与定子铁心隔离；上端部通过碟簧、压力挡圈、绝缘垫圈实现与上齿压板隔离。

3 绝缘损伤原因分析及风险

综上所述，正常运行情况下，穿心螺杆不与其他部件发生导通接触，属于对地绝缘体。但由于采用喷涂绝缘漆或分段绝缘套筒的绝缘方式未把其与铁心之间形成的空间彻底密闭，机组在运行过程中产生的油污、铁粉等异物易滞留在此空间内长期积累，空间环境变得潮湿、腐蚀性强[2]。随着运行时间的推移，穿心螺杆上喷涂的绝缘漆易脱落。在长期积累的磁性粉尘传导媒介下，为穿心螺杆、铁心、定位筋电回路的形成提供了条件。可能导致铁心烧熔和螺杆熔断，造成发电机事故地发生。事故的先兆无法提前通过机组常规的检修维护和状态监测[3]发现。

4 改进措施

通过上述作用、结构和原因分析，为防止上述现象和事故地发生，提出在穿心螺杆上套一层环氧树脂材料的绝缘套筒，这样既可以起到通长绝缘的作用，又可以起到通长密闭的作用，且在一定程度上起到加固穿心螺杆强度的作用。但受铁心叠片施工制约[4]，全通长绝缘套筒由绝缘挡块和套筒组成，按铁心叠装高度分成几段，同时为确保绝缘挡块与套筒在铁心叠压过程不被挤压破裂和最终压紧后能形成一个独立密闭空间，绝缘挡块的中部内径略小于套筒的内径，上下端头的内径略大于套筒外径，中部和上下端头形成错台，上下端头与套筒的搭接长度应根据铁心叠片的质量和最终压紧力等因数去考虑。绝缘挡块和套筒内径略大于穿心螺杆外径。

5 应用

二滩水电站2号水轮发电机组于1999年9月投产发电。2007年首次发现定子铁心局部变形、松动等缺陷。2015年6月启动了2号机组定子改造项目，由阿尔斯通（中国）有限公司承担二滩水电站2号发电机定子改造工作。在实施改造过程中，阿尔斯通将原有定子铁心背部拉紧结构改为了穿心螺杆结构。

为杜绝穿心螺杆绝缘漆脱落或损伤后引起绝缘降低的隐患，有效解决穿心螺杆绝缘防护问题，二滩电厂与阿尔斯通达成共识，决定对穿心螺杆表面不采用涂刷绝缘漆的结构，在全通长范围内采用分段绝缘挡块串联套筒形成全螺杆防护的绝缘结构，其中绝缘挡块与穿心螺杆配合的有效内径为20.8±0.1 mm、与套筒配合的有效内径为24.5±0.1 mm，套筒外径为24±0.3 mm、内径为21±0.15 mm，穿心螺杆外径为φ20（绝缘挡块与套筒装配示意见图1）。单根穿心螺杆使用绝缘套筒共15段（套筒15个、绝缘挡块14个），与共55段的定子铁心对应关系为：除1～2段铁心对应第1根绝缘套筒（长度195 mm）、第55段铁心对应第15根绝缘套筒（长度145 mm）外，从第3段铁心开始，每4段铁心对应1根绝缘套筒（长度188 mm），共13根，且绝缘挡块与套筒装配时设置了8 mm长的搭接段，长度为188 mm的套筒与绝缘挡块装配后理论配合长度在203～211 mm区间内。磁化试验完成并最终压紧后，在铁心槽底部位测量定子铁心高度，最大值为2 884 mm、最小值为2 882 mm。检查上述2处铁心位置绝缘挡块与套筒配合情况，单对绝缘挡块与套筒的长度在204.5～208.5 mm范围内，若此长度小于203 mm，即绝缘挡块与套筒产生了挤压破裂；若此长度大于211 mm，即绝缘挡块与套筒间存在间隙，不能达到螺杆整体绝缘防护。目前，2号机定子改造叠片工作已完成，最终压紧后测量数据表明，未出现挤压破裂现象，起到了整体防护作用，此方式和结构可行和可靠。

图1 绝缘挡块与套筒装配示意图

6 结论

通过穿心螺杆的作用和结构对采用喷涂绝缘漆或分段绝缘套筒的绝缘结构，在运行中可能会出现穿心螺杆熔断、铁心烧熔等危害的原因进行了分析，提出了采用环氧树脂材料全通长套装结构绝缘套筒改进措施，并在二滩水电站2号发电机定子改造中付诸实施，此措施可行和可靠。

此改进措施看似简单，但发挥的作用是巨大的，能延长机组运行寿命，降低维护成本和减少维护工作量，减轻运行单位对隐蔽部位的担忧。希望此改进措施能为设计院、制造厂家和运行单位提供借鉴。