某660 MW 大型汽轮发电机定子线棒股线断裂原因分析

（浙江浙能兰溪发电有限责任公司，浙江 兰溪 321100）

0 引言

发电机定子端部绕组在运行时受到交变电磁力的作用会产生相应的振动。发电机端部绕组属于悬臂梁结构，处于发电机的绕组结构薄弱位置。发电机端部绕组的振动主要受两方面的影响：端部绕组受到的电磁力与发电机所带的负荷，或者说通过的电流有关；同时与端部的磁场强度有关。发电机振动的固有频率和端部绑扎结构有很大关系，绑扎位置和绑扎力的大小，以及端部绕组的质量对端部绕组运行时的振幅影响很大。有的发电机出口发生过短路故障，发电机受到大电流冲击，会严重伤害发电机定子绕组端部固定结构[1-2]。

因发电机端部松动导致发电机定子绕组磨损的案例较多[3-13]，而引起定子线棒股线断裂的案例却非常少见，属于非常偶然的事件[14-15]。本文对某660 MW 发电机因端部振动引起定子线棒股线断裂的案例进行分析，以期为此类缺陷的预防和分析提供参考。

1 发电机概况

某发电厂3 号发电机为日立公司生产的QFSN-600-2-22C 型汽轮发电机，2006 年5 月出厂，2006 年12 月投运。在正常运行8 年后，于2014年进行增容改造，额定容量由600 MW 增至660 MW。增容时未更换定子绕组，对定子所做的改造包括：更换定子绕组槽内固定件，由斜槽楔紧固方式改为斜槽楔加波纹板结构的紧固方式；在定子绕组鼻端加垫块对端部进行加固处理。

3 号发电机定子线圈采用双层叠绕组，共有84（42×2）根线棒。定子绕组端部设有特殊的支撑系统，用浸胶涤玻绳绑扎固定在由玻璃钢支架和绑环组成的端部固定件上后进行烘焙固化，使整个端部在径向和周向上为刚性固定，确保端部固有频率远离倍频，避免运行中发生共振。

3 号发电机采用水氢氢冷却方式，即定子线棒（包括定子引线）直接水冷，定子出线氢内冷。冷却水从励端的汇流管和绝缘引水管并通过线棒端头的水接头进入线圈，冷却线圈后再经过汽端的绝缘引水管和汇流管排入外部水系统。

2 缺陷概况

2018 年3 月，3 号机组运行过程中发现发电机定冷水箱氢含量超标，根据24 h 气体压力升高量折算，内冷水系统每天漏氢量约为0.6 m3，随后立即安排停机检查。检查时采用水压0.6 MPa，同时对定子端部手包绝缘施加直流电压试验，发现22 号、23 号槽手包绝缘处泄漏电流严重超标，同时22 号槽出现滴水现象，手包绝缘拆除的线棒为缺陷线棒（如图1 所示）。将故障部位绝缘材料剥离后，发现22 号槽上层线棒汽端靠近端部R处内圆有一股空心导线和一股实心导线断裂，另有一股实心导线出现明显裂纹（如图2 所示）。

图1 定子线棒故障部位

3 定子线棒股线材料失效分析

3.1 宏观检查

拆除手包绝缘后，发现铜导线断裂处位于线棒汽端靠近渐开线端部R 处内圆位置距水盒子约10 cm 处（见图3），该处可能还存在结构应力。宏观检查发现共有3 根铜导线断裂或开裂，几乎位于同一个地方，包括最外侧1 根实芯扁铜线（断裂位置1）和相邻1 根空芯方铜线（断裂位置2）完全断裂，另外与断裂的空芯方铜线相邻的内侧实芯扁铜线（开裂位置3）存在开裂约3/4 的裂纹。

图3 铜导线断裂局部形貌

3.2 横截面尺寸测量

使用体式显微镜分别对实心和空心铜导线横截面尺寸进行测量。实心铜导线横截面长、宽分别约6 mm 和2.14 mm，空心铜导线横截面长、宽分别约5.99 mm 和4.55 mm，长侧壁厚约1.26 mm，宽侧壁厚约1.22 mm。

3.3 化学成分分析

对实心铜导线及空心铜导线表面进行打磨至呈现金属光泽以去除表面杂质，根据YST 482—2005《铜及铜合金分析方法光电发个光谱法》标准，用ARL4460 直读光谱仪对其进行化学元素定量分析，结果如表1 所示。其中，空心铜导线基本满足JB/T 10415.1—2016《发电机液体内冷空心导线 第1 部分：铜空心导线》中关于无氧铜的化学成分要求。

3.4 断口形貌分析

3.4.1 开裂位置3（试样3）断口形貌

将从线棒R 内圆表面起开裂至3/4 位置的裂纹3 拉断，并对试样3 断面进行观察。可以看出，在断面一侧存在明显的点状裂纹源，说明裂纹由此开始起源，并逐渐向内部扩展。裂纹源附近断口颜色较深。通过蔡司Evo-18 高倍显微镜观察，该区域断口较为粗糙，存在一定的韧窝状；能谱分析发现断面存在杂质，其中Ca 的氧化物可能为绝缘云母。断口中间大部分区域颜色较浅，该区域为撕裂状断口或沿晶断口，断口表面粗糙，可能跟塑性较高有关系；该区域所受杂质污染较小，能谱分析除了C，O 之外基本为Cu 元素。

表1 铜导线化学成分

3.4.2 断裂位置2（试样2）断口形貌

从整体来看，断口一侧的右半部分呈深色，另一侧的左半部分呈浅色。一边断口凹凸不平，表面覆盖了一层腐蚀产物。断口中部位置表面也凹凸不平，深色区域表面布满琐碎颗粒，浅色区域表面存在规则片状六边形或针状颗粒，能谱分析主要为Cu，O 元素。另外，断口局部位置（右上角、左下角）存在一定的摩擦损伤。

3.4.3 断裂位置1（试样1）断口形貌

开裂位置1 的样品从整体来看，断口一侧呈深色，另一侧呈浅色。对不同区域进行能谱分析发现存在一定的表面杂质。断口较为平滑。

3.5 金相组织分析

3.5.1 试样1 金相组织分析

图4 为试样1 实心铜导线横截面低倍金相组织，可以看出，横截面晶粒大小不均匀，中间位置存在一个细晶区横贯两侧，细晶区两侧各有一大片粗晶区，呈现金相组织不均匀的混晶现象。

图4 试样1 横截面低倍组织

通过不同位置的高倍金相组织观察，发现主要为α 固溶体，并且存在较多的孪晶，但不同位置之间差异较大。金相组织的不均匀可导致性能的不均匀性。

细晶区和粗晶区的存在表明实心铜导线可能为未完全再结晶组织。JB/T 10415.1—2016《发电机液体内冷空心导线 第1 部分：铜空心导线》对空心铜导线要求为退火组织，对实心铜导线暂无明确标准要求，但实心铜导线退火不完全，可能会导致其存在一定的残余应力。

3.5.2 试样2 金相组织分析

图5 为试样2 空心铜导线横截面低倍金相组织，相较于试样1，试样2 整体晶粒大小相对均匀，也存在较多孪晶。JB/T 10415.1—2016《发电机液体内冷空心导线 第1 部分：铜空心导线》对于空心铜导线的晶粒度有明确要求，其晶粒尺寸为0.010～0.055 mm，但图5 中绝大部分晶粒尺寸明显大于0.055 mm，局部晶粒尺寸甚至超过0.2 mm。

图5 试样2 横截面低倍组织

3.6 显微镜硬度分析

3.6.1 试样1 显微硬度

对试样1 金相横截面不同位置作进一步的显微硬度分析，载荷大小为0.98 N。

图6 为试样1 横截面长轴方向显微硬度分布，各硬度点间距0.4 mm。从图6 显微硬度曲线可见圆弧侧显微硬度高于内部。

图6 试样1 横截面圆弧侧附近显微硬度分析

3.6.2 试样2 显微硬度

JB/T 10415.1—2016《发电机液体内冷空心导线 第1 部分：铜空心导线》对于空心铜导线的室温显微硬度要求为低于75 HV。

如图7 所示，对空心铜导线试样2 金相横截面长轴方向进行显微硬度分析，检测点间隔0.4 mm，结果发现局部位置硬度超过75 HV0.1（如测点1，5，6）。

图7 试样2 横截面长轴方向显微硬度分析

综上，线棒导线断裂部位靠近定子汽侧端部内撑环绑扎部位，起源于弯曲变形内弧位置，存在残余应力、结构应力、电磁力等，应力复杂。

实心铜导线的金相组织中存在细晶区和非常大的粗晶区，可认为是不完全再结晶组织，退火不完全，可能造成存在一定残余应力的情况。

无论实心铜导线还是空心铜导线，不同位置显微硬度存在一定的差别，局部位置显微硬度略高于标准要求。

3 个试样的断口皆存在深色的腐蚀区和浅色的未腐蚀区，腐蚀区内存在一定的杂质元素，据此推测腐蚀区断面形成时间较早，为裂纹起源和扩展区，未腐蚀区为最终断裂区，显示股线断裂经历了一段较长时间的发展。

4 定子线棒端部振动及历史运行情况

该发电机投产以来，端部密封瓦漏油情况较长时间都存在，多次检修时都发现定子端部有油污。2014 年检查时，发现铁芯端部封口槽楔松动部位约30 处；支撑环绑扎绳部位5 处，其中1处较严重。

在每次大修处理后，发电机绕组端部模态及振型测试数据均合格。但该发电机未安装端部振动幅值在线监测设备，所以运行时的绕组端部实际振动幅值并未掌握。

该发电机曾在2011 年进行启动试验时，在发电机出口（励磁变高压侧封母）发生过两相接地短路事故。

5 股线断裂原因分析

发电机定子线棒股线断裂情况，在国内外发电机故障事件中属于偶然事件，产生的过程和原因比较复杂，可以从4 个方面进行分析。

5.1 材料缺陷

若线棒材料存在缺陷，发电机在长期运行过程中，受振动、短路冲击等因素影响，可能会造成线棒股线断裂。

根据该发电机缺陷部位样品的材料化学成分分析可知，该线棒材料成分基本满足设计要求，但也存在金相组织不均匀、局部硬度略高的情况。本次3 根股线断裂的位置基本相同，而3 根股线在同一位置出现材料缺陷问题的几率是极低的，所以材料问题不会是造成线棒股线断裂的主要原因。

5.2 股线表面缺陷

如果股线在制造过程中受到损伤，在运行过程也有可能使损伤扩大，造成断裂缺陷。从断裂股线外表面宏观检查未见明显缺陷，对断股线外表面渗透检查未见明显缺陷。对股线断口进行扫描电镜分析，断裂源区表现为解理断口，终断区表现为韧窝断口，因此表面缺陷基本可以排除。

5.3 振动疲劳损伤

该发电机长期运行过程中，密封瓦漏油，定子绕组端部可能有局部松动，2014 年曾发现过端部松动的情况，当时进行了加固处理。端部局部松动造成线棒振幅偏大，对“人”字形结构的2 根线棒来说，联接处内圆位置的股线承受的应力太大，应力交变频率高（100 Hz），在此环境下运行，铜股线产生疲劳损伤的可能性很大。

5.4 冲击负荷

发电机出口短路时会产生很大的短路电流，使定子绕组承受比正常工况下大许多倍的电磁冲击力，线棒端部振动幅值大幅增加。在“人”字形联接的R 角处受力极大，很可能造成该处股线损伤。在线棒股线受损后，后期随着时间的积累，可能造成股线断裂。

综上所述，造成该发电机股线断裂的原因很可能是冲击负荷和端部松动引起的振动疲劳损伤或两者综合的结果。

6 结语

针对某660 MW 大型汽轮发电机定子线棒股线断裂缺陷，进行了缺陷部位的化学成分分析、断口扫描电镜和能谱分析、金相组织和显微硬度分析。同时结合该发电机历史运行和检修情况，对股线断裂原因进行分析，认为该发电机股线断裂很可能是冲击负荷和端部松动引起的振动疲劳损伤或两者综合的结果。在发电机运行过程中，出口短路对发电机伤害极大，要极力避免出口短路的发生。发电机密封瓦漏油会降低发电机端部的紧固结构，也应尽力避免。随着科技的发展，发电机端部振动测量技术日趋成熟，在发电机定子线棒端部安装振动在线监测设备，可及早发现或预防定子线棒端部振动过大的工况，减少发电机定子线棒股线断裂的缺陷发生。