黑麋峰电站转子磁极引线头断裂故障分析与处理

吴 敏，何忠华，高 分，祝加勇，申 良，韩 轲，庞希斌

（国网新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南 长沙410213）

1 工程概况

黑麋峰抽水蓄能电站坐落于湖南长沙，是湖南的第1座抽水蓄能电站，电站共安装4台单机容量300 MW可逆式机组，总装机容量1200 MW。电站为日调节方式，主要担负电网调峰、调频、调相、填谷及事故备用等任务。

黑麋峰电站4号发电电动机由东方电机公司生产，于2010年10月投运。发电电动机转子有20个磁极，由转子中心体、磁轭和磁极3部分组成。转子中心体用于固定磁轭并在磁极与主轴之间传递扭矩。磁轭是转子的磁路，磁轭通过热打键，被热缩在转子支架上，磁轭与磁极通过T尾的楔块相连。磁极引线为硬连接，磁极中的绕组线圈为励磁电流通道，形成转子磁场。

2 故障还原

2017年3月7日10：19：45，黑麋峰电站4号机组开机至发电工况并网运行，负荷 300 MW。运行约1 h后，监控系统出现一系列报警信号，同时4号机组事故停机，见表1。

机组停机稳定后，进入4号机上下内风洞内，对磁极逐个检查，测量4号机组转子回路绝缘为零，检查发现1号磁极靠2号磁极侧引线头直弯处被烧断，2号磁极右上端磁极压板端头及环氧托板被烧伤，1号磁极靠2号磁极中段部环氧托板有灼烧痕迹。

表1 4号机组故障停机事件报警记录

3 故障排查与处理

3.1 故障排查

4号机发电工况带300 MW负荷由于转子一点接地保护动作跳机后，电站专业人员第一时间进行了故障原因梳理。检查4号发电机保护装置无装置故障报警，同时连接4号发电机A套保护装置后分析得知：4 号机发电工况运行过程中，11：27：15，4 号机组转子一点接地保护启动（转子对地绝缘由大于100 kΩ瞬时降到0 kΩ），经过5 s（转子一点接地保护二段动作延时定值为 5 s），11：27：20，4 号机组转子一点接地A套保护二段动作跳机（当时4号转子一点接地保护切为A套投入），804分闸，4号灭磁开关跳闸，机组停稳后对4号转子进行对地绝缘检查，绝缘值为零，经分析4号机组转子一点接地A套保护为动作正确。

4号机组停机后，由于该机组转子一点接地保护报警一直存在且无法复归，判断机组转子回路存在接地故障。

打开4号机机罩内轴端盖板，检查励磁引线外观无异常。测量转子回路绝缘为零。

进入4号机风洞内检查发现1号磁极靠2号磁极侧引线头直弯处被烧断，2号磁极右上端磁极压板端头及环氧托板被烧伤，1号磁极靠2号磁极中段部环氧托板有灼烧痕迹，3号磁极下端部局部有灼伤痕迹。相关故障现场照片如图1～图3所示。

图1 磁极压板靴部烧伤

图2 磁极线圈引线头断裂

图3 磁极中段环氧托板灼烧痕迹

经检查，确定故障点为1号磁极靠2号磁极侧引线头直弯处。

3.2 故障处理

3.2.1 机组1号、2号磁极处理

（1）将4号机组1号、2号磁极拔出并与电站2件备品磁极线圈一起装车返厂处理。磁极处理完成并返回电站后，在挂装前、后分别检测单个磁极的绝缘电阻（≥200 MΩ）、直流电阻、交流阻抗并进行交流耐压试验（挂装前交流耐压标准：10Uf+1500 V，挂装后交流耐压标准：10Uf+1000 V）。

（2）检查4号机组剩余磁极（17个）表面有无异常，如无异常则在坑内进行清扫，按《DL/T596-2005电力设备预防性试验规程》检测绝缘电阻并进行交流耐压试验（5Uf）。

（3）检查4号机组其他磁极引线头折弯部位，并全部进行了放大镜检查和PT探伤检测。

（4）全面仔细检查4号机组定子铁心内表面、定子线棒、通风沟、线棒端部固定等部位有无灼伤及异物并用白布蘸酒精擦拭干净，通风沟等部位用毛刷蘸酒精清理，清除定子及挡风板内异物。定子全面清理完成后按《DL/T596-2005电力设备预防性试验规程》检测定子每相绝缘电阻、直流电阻并进行直流耐压试验（2Un）。

（5）完成1号、2号磁极挂装并安装极间连接线后，所有转子磁极整体按《DL/T596-2005电力设备预防性试验规程》检测绝缘电阻（≥5 MΩ）、直流电阻并进行交流耐压试验（5Uf）。

（6）打紧1号、2号磁极挂装配对磁极键：用18磅大锤对称、均匀地打紧同一磁极上的两对磁极键，连打3下，主键下降不超过1 mm。为保证磁极键的紧度，按上述方法对磁极键打紧3次，每次间隔时间不小于8 h。机组发电工况及抽水工况热稳定试验完成后，再次打紧1号、2号磁极的磁极键并用固定块将磁极键主键焊接锁定。

（7）重新挂装1号、2号磁极后，4号机组不再进行动平衡及甩负荷试验。3.2.2 机组3号磁极处理

4号机组3号磁极处理下端部局部灼伤痕迹，对灼伤部位的损伤情况进行详细检查和评估后，对3号磁极按以下步骤进行处理：

（1）表面清理后按《DL/T596-2005电力设备预防性试验规程》检测3号磁极绝缘电阻（≥200 MΩ）、直流电阻、交流阻抗。如试验数据正常，则3号磁极不需吊出机坑，在坑内进行处理，否则应吊出机坑处理。

（2）磁极下端部磁极铁心、上托板及磁极线圈表面灼伤碳化部位用钢丝刷或砂纸打磨，直至表面碳化物全部清理干净，然后用白布蘸酒精将清理部位表面擦拭干净，最后在清理部位补刷188红瓷漆并晾干。

（3）磁极下端部灼伤部位处理完成后再次按《DL/T596-2005电力设备预防性试验规程》检测3号磁极绝缘电阻（≥200 MΩ）、直流电阻、交流阻抗并进行交流耐压试验（5Uf）。

4 故障原因分析

从现场检查情况分析，故障主要由1号磁极引线直角弯处断裂引起。

对于磁极引线断裂具体原因，从应力分析、材质分析、金相分析、尺寸检查等4方面进行（图4）。

4.1 应力分析

经有限元分析计算，计算结果见下页表2。

有限元计算结果显示：引线折弯处，飞逸工况最大应力258.3 MPa。此应力值较高，但仍在材料许用应力范围之内。

图4 不同工况下等效应力分布图

表2 有限元分析结果

4.2 材质分析

对1号磁极线圈引线头进行了化学成分检验、机械性能试验测试（表3）。

表3 化学成分及机械性能试验结果

经检查，引线材料各项指标均满足BLHDF.PSF001技术要求。

4.3 金相分析

由于PT探伤只能检测表面缺陷，无法检测内部缺陷。为此，对1号磁极引线进行金相分析。

试验过程中对磁极引线铜件试样边缘部位、中心部位进行金相检验，中心部位内弧度处发现显微裂纹，腐蚀后金相组织均为单相α孪晶组织，边缘部位晶粒平均直径为0.05 mm，中心部位晶粒平均直径为0.04 mm。

分析结果显示，铜排折弯处内部有微裂纹，加工工艺不良。

4.4 尺寸检查

对引线弯型尺寸检查，发现引线弯型半径不合格。图纸要求R8，实测只有R4。

按照实际弯型半径进行应力计算，结果显示，折弯处飞逸工况最大应力达到284.2 MPa，已经接近材料许用应力。

图5 磁极引线弯型半径检查

结论：经过上述4个方面的分析，可以判断引线断裂是由于微裂纹引起的。机组运行时产生的振动，导致裂纹扩展，最终导致引线断裂，而微裂纹是由于成型半径过小造成的。

5 暴露的问题及防范措施

5.1 暴露出的设备问题

（1）4号转子1号磁极引线折弯处加工工艺不良，有微裂纹，产品质量存在缺陷。

（2）转子磁极引线弯型半径不满足设计要求。

5.2 防范措施

（1）将机组转子磁极连接板探伤检查纳入机组定期检查项目。

（2）增加对重要部位的巡视频次，发现转子一点接地等报警应认真做好记录并深入分析，避免设备缺陷由量变发展为质变，造成更严重的后果。

（3）加强电站事故备品备件管理，对影响机组备用的事故备品备件按定额储备到位。

6 结语

通过此次转子磁极引线故障处置，为电站同类型设备维护工作积累了宝贵经验。故障发生后，电站第一时间隔离了故障设备，并查找出故障点，有利于后期故障处置。设备的隐蔽故障发生同时也表明电站设备技术监督及隐患排查的重要性。本文详细描述了转子磁极引线头断裂事故原因、故障排查与处置过程，对其他电站防范及处理类似设备缺陷具有借鉴意义。