大型水轮发电机阻尼软连接断裂现象分析及处理

梅林浩

（中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北 宜昌 443133）

0 引言

某大型电站发电机额定容量为777.8 MW，额定电压为20 kV，发电机定子绕组为三相双层波绕组，每相5 支路并联，发电机中性点采用经接地变的高电阻方式接地。发电机在磁极极靴上装有阻尼绕组，阻尼绕组的作用是抑制振荡，帮助自整步，提高稳定性，补偿由于不对称电流产生的负序分量的电枢反应，抑制不对称短路时的过电压。阻尼绕组之间通过阻尼软连接相连，该发电机在机组检修期间发现定子线棒下端部出现多处铜丝搭接放电痕迹。经详细检查确认，发现有48 根上层定子线棒、9 根下层定子线棒端部存在明显放电痕迹，放电处皆有铜丝附着，放电痕迹大部分位于两个斜边垫块之间；另有23 个线棒表面附着有铜丝，无放电痕迹。

1 阻尼软连接和线棒检查

1.1 阻尼软连接检查

定子线棒放电现象经初步分析为磁极阻尼软连接铜丝断裂掉落所致，为明确铜丝来源，在发电机定子随机选择2 处对称位置的挡风板进行拆除，对拆除挡风板处的阻尼绕组和磁极软连接进行检查，发现磁极软连接基本完好，阻尼绕组表面有磨损现象，为进一步确定所有阻尼绕组的状态，拆除所有挡风板来查看阻尼软连接磨损情况。在挡风板全部拆除后，对磁极阻尼软连接（下风洞共160 对）和磁极间软连接（80 个）进行了详细检查，发现63～64 号磁极阻尼软连接完全断裂，有约5 个阻尼软连接表面有毛刺磨损现象，其余阻尼软连接外表面检查良好；磁极间软连接检查发现有十多处出现少量铜丝断股，其余外表无异常。为确定阻尼软连接接触处是否有磨损断股现象，现场随机拆下65～66 号磁极阻尼软连接进行检查，发现内部有磨损毛刺现象。初步检查表明阻尼软连接和磁极间软连接在机组运行过程中会受到电磁力的作用，导致软连接表面和连接处出现磨损断股现象，严重的会导致软连接完全断裂。为了明确阻尼软连接的状态，随后拆除发电机转子所有阻尼软连接进行详细检查，检查发现：上端阻尼软连接35 个存在磨损的情况，125 个无破损；下端阻尼软连接84 个存在磨损的情况，76 个无破损，其中有2 个阻尼软连接完全断裂。

经全面检查发现该发电机磁极阻尼绕组软连接存在比较多的磨损情况，特别是有2 处磁极阻尼软连接完全断股。通过比对线棒间取出来的铜丝和断股的软连接，认为发电机定子线棒大量放电情况是由阻尼软连接在机组运行期间断股致使大量细铜丝掉落到线棒间隙造成。同时检查发现发电机磁极阻尼软连接存在较多数量的磨损，阻尼软连接表面有毛刺，长期运行很容易发展成断股现象。

1.2 定子线棒检查

该型号发电机定子绕组为三相双层波绕组，每相5 支路并联，该型号发电机定子绕组共510 槽，线棒数1 020 根，每相分为5 支路，每条支路有线棒68 根，上、下层各34 根，采用波绕组方式接线。发电机机端相电压11.54 kV，每根线棒感应的电压为0.17 kV。线棒的电位与其在支路中所处的位置成线性关系，越靠近机端电位越高。从中性点开始，每条支路线棒电压依次为0.17 kV、2×0.17 kV……67×0.17 kV、11.54 kV。

（1）部分线棒铜丝搭接放电痕迹（图1）

图1 上层定子线棒铜丝搭接放电

（2）定子线棒放电点电位分布

表1 线棒放电点运行电位分布区间

图2 放电点与电位的关系

（3）分析总结

上下层放电线棒运行电位主要在3 kV 及以上，上层线棒呈递增趋势，3 kV 及以上运行电位放电占91.84%，6 kV 及以上运行电位放电占69.38%。下层线棒分布差距较大，3 kV 及以上运行电位放电占88.89%，9 kV 及以上运行电位放电占55.44%。有铜丝未放电点的电位分布呈递减趋势，3 kV 及以下运行电位占34.78%，6 kV 及以下运行电位占65.21%。

在线棒表面有铜丝存在的情况下，线棒放电的几率与线棒所处电位成正相关，线棒所处电位越高越容易产生放电现象。线棒电位从3 kV 开始容易产生放电，且主要集中在高电位。

2 阻尼环软连接磨损断股原因

从软连接损伤现象看，表面无过热迹象，可以排除过电流发热因素；部分软连接变形严重甚至断股说明存在破坏性驱动力；软连接变形的方向朝向轴向中部，说明破坏性驱动力的方向指向轴向中部。根据电磁场理论，可以初步判定这个作用力是阻尼环中的电流在极间漏磁场作用下产生的安培力。此力的大小取决于两个因素：阻尼环的电流，以及极间漏磁场的大小和方向。据此推测易造成电磁冲击力的工况为发电机突然短路、非同期合闸时系统遭受瞬态冲击，进而使磁链突增、漏磁突增、阻尼电流增大，定子电流也突增。在这种情况下将会导致阻尼电动力急剧增大。

阻尼环软连接在机械力及电动力的作用下变形拉直后，运行过程中受震动、风力作用，易形成上下片间、每片层间摩擦，从而造成铜丝疲劳损坏。机组在运行过程中，阻尼环软连接会受到电制动、瞬态两相短路、稳态不对称负载等工况下因冲击电流而产生的电磁力作用。通过有限元计算，该型号机组在三种运行工况下，阻尼端环电流及阻尼端环轴向电磁力情况如表2 所示。

表2 机组在三种运行工况下，阻尼端环电流及阻尼端环轴向电磁力

采用瞬态电磁场有限元仿真分析不同典型工况下阻尼环极间电磁力：

图3 场路耦合计算模型

仿真计算表明，很可能是在长期的运行过程中，发电机-系统线路上出现多次单相、两相突然短路、非同期合闸等冲击，发电机受到冲击时，定子突增的冲击电流会在阻尼环中感应出很大的瞬时电流，在端环处的漏磁场也将极大增加，两者的作用就会产生很大的轴向电动力，阻尼环连接处为悬臂结构，承受离心力问题不大，但对于冲击电磁力则刚性不足，容易发生变形问题。

3 处理过程

3.1 线棒间铜丝清理和放电点处理

使用镊子等工具将线棒间的铜丝夹出，存在放电的地方用记号笔标记出来以便处理。待铜丝全部取出后，使用砂纸细细打磨放电处，将放电产生的白色氧化层打磨掉，再使用专用的清洗液对发电机上层下层线棒进行清洗，并用高压空气吹，将线棒间残留的铜丝和其他杂物清除掉。最后涂上红色绝缘漆。

图4 线棒放电点 打磨后的放电点 涂刷绝缘漆

3.2 更换阻尼软连接

通过重新设计阻尼软连接，使之在满足原有功能需求的前提下，提高抗疲劳抗磨损的能力，杜绝运行情况下铜丝掉落到发电机内部，故决定采用带止口的新型软铜片软连接处理。该设计采用有限元法，运用结构分析软件 ANSYS 程序，对薄铜叠片式阻尼环软连接进行强度计算分析，考核其强度水平。

（1）疲劳分析

疲劳分析技术路线基于ASME 规范，采用Miner累积损伤准则，进行疲劳寿命分析。

D=∑ni/Ni

Miner 累积损伤系数计算公式如下：

其中：ni为在一个应力变化幅度（或者事件）范围内的载荷循环次数；

Ni为在一个应力变化幅度（或者事件）范围内的需用载荷循环次数，是通过S-N曲线获得的；D为累积损伤系数。

如果在所计算的载荷循环次数内，累积损伤系数D不大于1，那么在这些所计算的载荷循环内，疲劳寿命是安全的。

表3 载荷循环次数计算

此处将材料持久极限作为1 000 000 次循环应力点为安全保守算法。

考虑 99%样本成活率和有限元计算规范：即交变应力乘以50%作S—N曲线的对应点修正。根据疲劳计算理论：SMN=C(常数)，计算得到：M=8.53

在额定工况，考虑平均应力，采用Goodman 修正进行疲劳计算得到：薄铜叠片式阻尼环软连接的屈服极限为150 MPa，材料强度极限为200 MPa，根据力学理论，薄铜叠片式阻尼环软连接材料交变循环的S—N曲线对应点近似如下：

N≈77 600（启机—额定—停机循环次数）

在飞逸工况，采用Gerber 修正进行疲劳计算得到：

N≈26（允许飞逸次数）

表4 薄铜片式阻尼软连接材料疲劳寿命

疲劳损伤因子计算假定：50 年内每天启停机1次、飞逸2 次计算。

（2）分析总结

从计算结果可以看出：薄铜叠片式阻尼环软连接的应力明显偏高（飞逸工况下，线性计算时已大于材料强度极限）明显进入了塑型屈服段，因此阻尼环软连接的强度水平不能满足刚强度设计准则；但经过材料非线性计算后发现：阻尼环软连接设计50 年运行，其疲劳损伤程度为0.313，即阻尼环软连接寿命能达到155 年。

4 总结

由于电磁力和离心力的作用，阻尼软连接会逐渐磨损表面起毛刺，严重的会断股，进而使得大量铜丝散落在线棒中导致线棒放电，对机组安全稳定运行造成严重隐患，所以在机组检修期间应该检查其阻尼软连接的状态，以便在阻尼软连接形成断股前将其更换。