汽轮发电机定子铁芯松动的原因分析及处理流程

2021-01-11王国仁李采荣江培生

山西电力 2021年5期

王国仁，李采荣，江培生

（1.晋能控股山西电力股份有限公司，山西太原030031；2.晋控电力山西工程有限公司，山西永济044500；3.哈尔滨四方发电设备有限责任公司，黑龙江哈尔滨150080）

0 引言

汽轮发电机是发电厂的主要设备，而定子铁芯则是发电机的核心部件，在制造、运行、检修等过程中，不可避免地会出现铁芯表面因外力作用所引发的定子铁芯冲片局部短路或因铁芯表面的片间绝缘损坏等[1]，导致铁芯局部齿部松动，影响汽轮发电机的正常运转。近年来，部分国产汽轮发电机在投运一段时间后出现了铁芯齿部松动，甚至端部铁芯齿部折断或通风槽钢折断、缺损的现象。铁芯松动后将引起铁芯振动甚至齿部折断，导致定子线棒绝缘磨损，严重时绝缘损坏将引起定子绕组接地或相间短路，造成发电机故障停机，因此加强汽轮发电机定子铁芯松动原因分析及处理措施研究十分重要。

1 发电机定子铁芯松动造成的危害

汽轮发电机的定子铁芯一般选用0.5 mm厚的硅钢片叠压而成，在运行中承受着温度、电磁转矩和各种频率的振动，在端部铁芯齿上，由于漏磁的轴向拉力，还会引起轴向振动并产生异音[2]。

铁芯的振动不一定立即造成重大事故，但持续振动会磨损线圈绝缘及硅钢片绝缘漆膜，导致铁芯涡流损耗增加，涡流损耗增加又会产生局部过热进而加速硅钢片绝缘的老化。在中小型汽轮发电机中（小于100 MW），片间短路仅仅引起铁芯损耗的增加和轻微发热，但在200 MW及以上的汽轮发电机中，硅钢片片间短路会造成铁芯发热、断片、断通风槽钢等事故，严重时甚至烧熔铁芯。另外，铁芯整体松动振动还可能引起槽楔松动磨损，引发线棒绝缘的磨损，进而破坏端部引线固定块的整体结构模态[3]，引起定子绕组接地或相间短路，造成发电机故障停机。

发电机定子铁芯松动造成的危害案例如下：某电厂1号发电机抽转子后，检查发现发电机定子铁芯松动，第25号和26号线棒之间的端部阶梯硅钢片烧熔；某电厂4号发电机检修，检查发现因定子铁芯松动，造成硅钢片漆膜损坏，发热烧熔铁芯，断齿断片；某电厂1号发电机定子铁芯松动造成硅钢片片间漆膜损坏、发热、烧熔铁芯导致线棒绝缘烧毁接地；某电厂300 MW汽轮发电机因定子铁芯松动引起漆膜损伤，油泥析出，大引线紧固件螺母及绝缘螺杆松动、磨损甚至丢失。

2 发电机定子铁芯松动的原因分析

发电机定子铁芯是由数张扇形硅钢片组成圆形后，通过定位筋定位一层层叠放压装而成。硅钢片在压装过程中要分段进行加压和加热加压，使硅钢片间绝缘涂层收缩来保证紧密度。国产大型汽轮发电机制造工艺在近30年来得到一定的改进，在防止铁芯松动工艺中增加了分段预压和加热把紧新工艺。在制造厂，质量检查时铁芯是紧密的，可以达到设计要求的片间压力值。但电机运行一段时间后检修时经常发现200 MW、300 MW发电机定子铁芯整体出现松动的现象，定位筋拉紧螺杆的螺母松动，铁芯硅钢片片间压力已达不到设计预期紧力。经分析研究，发电机定子铁芯松动的原因有以下几方面。

a）发电机硅钢片绝缘漆涂层在受热和受压下发生收缩，使硅钢片片间紧量下降导致铁芯松动。这是因为发电机在运行中，铁芯的温度比机座、定位筋要高很多，铁芯的热膨胀使铁芯硅钢片受到一个附加的压力，在高温和振动状态下，硅钢片绝缘漆膜被软化，较厚的漆膜高点被塑性压平，硅钢片之间被进一步密合，发电机经过一段时间的运行后铁芯中原保存的片间压力降低，这样就产生了整体松动现象。

b）定子铁芯硅钢片间涂刷的绝缘漆厚度不匀或使用不同品牌的绝缘漆，发电机在运行一段时间后，由于硅钢片之间收缩度不一致，导致硅钢片间压力降低而造成铁芯松动。国产有机漆涂层厚度在双面达0.03～0.037 mm，而德国产水溶剂漆涂层厚度在双面仅有0.018～0.021 mm。

c）发电机在运行一段时间后，其穿芯螺杆、定位筋螺杆的弹性紧力变小，造成铁芯松动。

d）发电机风道隔筋存在高低不平现象，导致铁芯松动。

e）发电机铁芯压紧工艺不好，导致沿整个内圆周齿部压力不均匀，造成齿部出现有紧有松的状态。风道隔筋在长期振动下松动直至脱落，造成铁芯松动。

f）发电机内部漏油造成定子铁芯松动、磨损。当密封油油污进入发电机定子铁芯片间后，硅钢片之间的绝缘涂漆受到了油污的侵蚀，在倍频交变电磁力的作用下发生振动和摩擦，造成了定子铁芯的松动、磨损。

g）发电机励端收紧力不够造成铁芯松动。由于发电机励端有出线，空间比较狭小，发电机进行定位筋螺杆、穿心螺杆紧固时一般是在空间相对较为宽裕的汽端进行，导致传递到发电机励端收紧力相对较小，造成发电机励端铁芯松动。

3 发电机定子铁芯松动处理工艺方案

200 MW以上汽轮发电机运行中因铁芯松动而造成的接地故障，通常的处理方法有以下几种：一是将发电机运到制造厂修理。二是现场将全部定子线圈线棒取出，用特制的600 t卧式油压机将铁芯二次重新压紧，然后恢复线棒绕组装配。此方法工期长、费用多、工艺复杂。三是现场采用高压油缸系统压紧定子铁芯。目前采用高压油缸系统恢复铁芯设计紧量是处理200 MW、300 MW、600 MW定子铁芯松动最为简便、低价、快速的方法。

4 高压油缸系统压紧定子铁芯工艺流程

4.1 压紧铁芯前的检查工作

a）用吸尘器清理定子铁芯内部。

b）检查定子铁芯内部，检查定子铁芯齿部是否有磕碰等损伤。

c）用铁芯测紧度刀检查定子铁芯紧度，铁芯背部用铁芯测紧度刀测试插进量，并做好记录。

d）按DL/T 596—1996《电力设备预防性试验规程》进行铁损试验并处理铁芯过热点。

e）检查铁芯压圈与机座隔板之间的间隙，标准尺寸为10 mm（有橡胶密封条）。

f）测量铁芯长度并记录。

g）测量汽励压圈至机座端面的距离并记录。

4.2 压紧铁芯前的准备工作

a）将3个千斤顶顶在绕组端部下面的3个支架板上，保证发电机定子端部固定牢固，防止在弹簧板把合螺钉松开时，整个端部下沉，导致定子线圈受力而损伤。

b）在汽、励两端适当位置各拆除4根绝缘引水管，以便操作者进入定子端部进行维护操作。

c）将定子绕组端部弹簧板与定子压圈的把合螺栓松开，并旋出约5 mm，但不能全部旋出，此时用塞尺测量弹簧板下与铜屏蔽的配合间隙，测垫片四角，并编号和记录。

4.3 定子铁芯的压紧

a）拆除锁紧定位筋两端螺母的固化涤纶玻璃丝绳，用M56螺母试拧入以便清除残留的环氧胶。检查定位筋螺纹伸出螺母的长度，编号并记录每根定位筋螺纹伸出的长度。

b）根据测量结果决定从汽端或励端开始压紧铁芯。

c）在一端的定位筋螺纹上安装液压螺栓拉伸器，要求18个拉伸器必须全部安装并连接油管路、油泵。

d）在机座1点钟、4点钟、7点钟和10点钟的位置各固定1块百分表，表头垂直压在压圈上，百分表应预先压紧5 mm。

e）缓慢升高油泵压力至99 MPa，此时对应压紧压力为800 t，保持压力30 min，如果压力下降，继续升压至99 MPa，直至压力不变。

f）旋紧定位筋螺母。

g）释放油泵的压力，记录百分表的读数。

h）重复e）～g）步骤。

i）重新测量每根定位筋螺纹伸出的长度并做好记录。

j）测量压圈至机座端面的距离并记录。

k）重复c）～j）步骤，压紧铁芯另一端。

l）测量铁芯长度并记录。

4.4 压紧后处理

a）加垫端部弹簧板下的垫片。用塞尺测量弹簧板下与铜屏蔽配合间隙，测垫片四角，并编号和记录。根据测量结果决定增加垫片的厚度。加入增加的垫片，拧紧把合螺栓。

b）若铁芯单侧压缩量超过5 mm，应更换弹簧板与压圈的不锈钢把合螺栓。

c）检查槽口垫块，若与铜屏蔽没有靠严，应拆出后重新装入并绑好。

d）用浸胶涤纶玻璃丝绳锁紧定位筋螺母。

e）安装绝缘引水管，用氟利昂检漏，并按JB/T 6228—2014《汽轮发电机绕组内部水系统检验方法及评定》进行定子绕组水路气密试验，合格后再包绝缘材料。

4.5 进行发电机铁损试验

进行发电机铁损试验，检查铁芯片间绝缘并再次处理铁芯过热点，同时用铁芯紧度刀片检查铁芯紧度和测量拉紧螺杆伸长来了解铁芯压缩量。

4.6 清理作业区

清理干净作业区域并清点带入机内的工具，确认已携出。

5 发电机定子铁芯松动处理后的验收试验

发电机定子铁芯松动处理后需进行发电机定子铁芯损耗试验，检查发电机定子铁芯硅钢片片间绝缘情况以及铁芯叠装或检修过程中有无局部损伤，并对照标准评价其是否达到要求。

5.1 高磁法试验

此试验要求在铁芯中产生接近于运行状态的磁场强度，通常采用厂用6 kV作为励磁电源，当磁通量达到1.4 T（特斯拉）后，使用红外热成像仪查找过热点，判断标准如下。

a）根据规程要求，励磁磁通密度为1.4 T（特斯拉）下持续试验时间为45 min。磁密在1 T（特斯拉）时下齿的最高温升不超过25 K，齿的最大温差不大于15 K，单位损耗不大于1.3倍参考值[4]。

b）铁损试验中铁芯各部分温升和铁损值与出厂值比较，不应有明显的增大。

5.2 低磁法试验

低磁法也叫ELCID（electro-magnetic core imperfection detector）试验法，该试验方法要求在铁芯中产生的磁通密度仅为正常运行时磁通密度的4%，试验中利用电磁原理采用磁位计查找铁芯故障电流，这个方法相对高磁法大大减小了试验电源容量，同时也避免了故障铁芯部位进一步扩大。判断标准：以100 mA作为4%额定激磁时判断的阀值，即各槽交轴电流值不超过100 mA[5]。