大型水轮发电机定子铁芯阶梯片松动断齿分析与处理

魏兴波，徐兴友，唐卫东，王 维，瞿森森

(湖北清江水电开发有限责任公司，湖北 宜昌 443000)

水布垭电厂4台发电机于2008年全部投入商业运行。额定功率为460 MW额定电压为20 kV，额定电流为14.754 kA。定子铁芯采用高导磁、低损耗、无时效优质进口硅钢片冲制而成，全圆由40片组成。铁芯外径为φ11 900 mm，内径φ10 900 mm，总长29 200 mm。铁芯轴向均匀设有高度为6 mm的通风沟，通风槽钢采用非磁性钢制成。为了减小附加损耗，定子铁芯两端叠成阶梯形，并在齿部开有小槽，压指及端箍均采用非磁性材料制成。定子铁芯叠装在工地安装间进行，为了避免定子铁芯产生翘曲变形，定位筋采用浮动式双鸽尾结构，定位筋与托块间留有适当的间隙以适应定子铁芯的热膨胀。

为增加铁芯刚度，保证铁芯压紧，减小铁芯振动，定子铁芯由足够的穿芯螺杆拉紧，穿芯螺杆采用高强度非磁性钢制成，并采用套管绝缘，在穿芯螺杆的端部设有碟形弹簧，通过力矩扳手定量压紧使铁芯达到一定的单位压紧力。铁芯压紧后穿芯螺杆有一定伸长值，加上碟簧有一定压缩量，这样当铁芯长期运行后发生漆膜收缩时，螺杆的伸长量和碟簧的压缩量就可起到一定的补偿作用，仍能维持对铁芯必须的压紧力，以保证定子铁芯在长期运行后不会发生松动。为防止压指松动、断裂，除采用非磁钢和加宽压指外，还采取将压指用不锈钢焊条直接焊于压板上的结构[1]。

1 问题提出

2016年冬季至2017年春季检修期间，水布垭电厂发现4台发电机定子铁芯阶梯片不同程度松动、断齿，导致11根线棒主绝缘损坏。4台发电机铁芯阶梯片松动及线棒绝缘受损情况统计如表1。

表1 水布垭电厂发电机定子铁芯阶梯片松动及绝缘受损线棒统计表

针对该问题检修人员进行全面检查，发现发电机定子主要存在以下2个方面的问题。

1.1 部分铁芯阶梯片松动、断齿及电腐蚀

部分铁芯阶梯片松动、断齿及电腐蚀情况见图1。

1.2 定子线棒出槽部分绝缘受损

松动、断齿的阶梯片随着机组振动，反复剐蹭临近的线棒主绝缘，随着时间推移，主绝缘厚度逐渐减薄，最终导致定子接地事故，定子线棒绝缘受损情况见图2。

图2 定子线棒绝缘受损情况

2 原因分析

从现场检查情况容易分析出定子铁芯阶梯片松动[2]、断齿是导致线棒绝缘受损的直接原因。而阶梯片断齿是由松动发展而成，松动阶梯片随着机组长时间上下振动，由于金属疲劳导致根部断裂[3-4]。由此可见，两个问题的根本原因是阶梯片松动。

我们根据发电机定子铁芯的结构、压紧方式以及现场检查情况，从设计、制造、安装、运行等方面分析了阶梯片松动的原因[5]。

2.1 定子铁芯穿心螺杆拉紧力不够

为保证扇形片片间压力足够，安装时均按定子铁芯穿心螺杆设计力矩值进行把紧，并在磁化试验后对其再次把紧。为检验铁芯是否存在整体松动，检修人员抽取3号发电机铁芯松动最严重附近的2根穿心螺杆做压紧力矩校核试验，发现其中1根压紧力矩仅为550 Nm，另一根为850 Nm，均远远低于设计力矩1 185 Nm。力矩达不到设计值的主要原因主要有以下几点：

1)机组运行期间，由于电磁力、振动等原因，铁芯的应力会再次重新分析，会使穿心螺杆的力矩值出现偏差。

2)机组长期运行，随着定子冲片之间的应力变化及漆膜老化或收缩等原因，使螺杆拉紧力降低。

3)机组投运后，未再次对螺杆进行检查紧固。

2.2 定子铁芯压指中心偏移

查阅水布垭电厂发电机设计图纸，铁芯齿部宽44.94 mm，压指宽25 mm，铁芯齿部开槽宽3 mm。现场测量发电机定子铁芯齿部宽45 mm，压指宽25 mm。《水布垭水轮发电机安装说明书》中要求压指中心与铁芯齿部中心线偏差不大于2 mm。现场测量大部分压指中心偏移已超过3 mm，有的甚至达到了8 mm，见图3。

2.3 定子铁芯压指不平

部分定子铁芯压指由于现场焊接压指后打磨过度导致压紧面不平整情况见图4，使压力不均。

2.4 定子铁芯齿部开槽未塞实

为减小附加损耗，定子铁芯两端叠成阶梯形，并在齿部开有小槽，但开槽部位未用绝缘板塞实，见图5，分散了压力，引起压力不均匀。

2.5 端部槽楔未绑扎

槽楔上端未绑扎见图6，易出现上端槽楔上窜问题，也可能引起铁芯松动。

图6 端部槽楔未绑扎

2.6 其它原因

1)由于水布垭电厂为华中电网的调峰调频电厂，机组较长时间处于进相、低负荷运行工况，加剧了定子铁芯端部发热、振动。

2)当时机组安装时技术及设备有限，如阶梯片为现场粘接、采用力矩扳手拉紧螺杆等，都可能使铁芯阶梯片压力不够，粘接不牢，导致其松动。

以上为可能导致铁芯松动的主要原因，结合水布垭电厂现场实际情况，定子铁芯穿心螺杆拉紧力不够、压指中心偏移以及定子阶梯片齿部开槽未塞实为主要原因，其它为次要原因。

3 处理措施及效果评估

针对铁芯松动导致绝缘受损的线棒，应进行更换。线棒更换以及端部槽楔绑扎工艺较成熟，在此不再赘述。下面主要介绍定子铁芯处理方法[6-7]。

3.1 定子铁芯阶梯片松动、断齿处理方法

1)拔出根部已经断裂的阶梯片，检查线棒绝缘是否损坏，根据损坏程度综合判断是否需要更换；

2)清净片与片之间杂物及油污；

3)彻底清理磨损受伤铁芯阶梯片，直至露出金属本色，确认片间无粘连，必要时可用电腐蚀法；

4)清理阶梯片齿部中心线处原有缝隙，缝隙内杂物、夹渣及油污；

5)用带胶环氧绝缘板塞实片间间隙并打紧，必要时可用环氧腻子填实；

6)阶梯片产生间隙处清理干净，修配合适的环氧楔板带胶打入楔牢。若压指偏移严重，导致阶梯片立缝一边无法受力压实，则需加焊图7的“假压指”。选用10～12 mm厚的不锈钢板制作，周边打磨光滑按图8进行焊接。焊后焊缝需锉磨光滑，不能有尖角，焊时需保护好线圈。

图7 “假压指”示意图

图8 “假压指”焊接方法

7)分步、对称把紧穿心螺杆至设计力矩值；

8)其它铁芯松动又塞不进绝缘材料的将周围清理干净，涂刷绝缘胶固化；

9)铁芯受损处如清理后有较大缺陷，用环氧腻子填充并复原阶梯形状；

10)阶梯片齿部中心线处原有立缝用环氧绝缘板双面涂刷绝缘胶塞实，必要时可用环氧腻子填充；

11)处理完后进行EL-CID铁损试验对发电机定子铁芯损伤点片间绝缘进行检测，判断其片间绝缘是否已处理合格。

3.2 工艺流程图

线棒更换及铁芯处理工艺流程见图9。

图9 线棒更换及铁芯处理工艺流程图

3.3 处理效果评估

为了检查定子铁芯松动处理效果，防止片间绝缘不合格，造成短路，在短路区域形成局部过热，损坏设备。由于电厂转子未吊出，仅拔出了两个磁极,不满足常规定子铁损试验条件，使用EL-CID铁损试验对发电机定子铁心损伤点片间绝缘进行检测，并与处理前的试验数据对比，作为处理效果的证据。选取了一台机组铁芯阶梯片松动较严重的的数据如表2。从表中看出，处理前大部分试验数据超标，按上述方法处理后，试验数据明显变好，说明该处理方法确实有效，能很好地重新建立起片间绝缘。

表2 铁芯阶梯片松动处理前后EL-CID试验数据对比 mA(峰-峰值)

4 结 语

本文结合水布垭电厂发电机定子铁芯的结构以及铁芯松动断齿的部位，分析了可能导致铁芯松动的原因，并针对原因提出了大型水轮发电机定子铁芯松动可行处理方法，经过试验验证处理效果较好。但由于铁芯松动部位主要集中在铁芯下端，铁芯压紧效果相对较差，所以在处理后应定期检查是否存在再次松动的现象。若发现应及时按上述方法处理，以免擦伤临近线棒绝缘。若条件允许，建议启动定子铁芯改造计划，以解决压指中心偏移、加工不平、优化齿压板、改进端部阶梯片粘接及定子铁芯拉紧方式及工艺，彻底消除该隐患。