巴西某水电站发电机故障成因分析与防范措施

2022-10-31冯自然

水电与新能源 2022年10期

杨艳，冯自然

(1. 中国三峡国际股份有限公司，北京 100033； 2. 中国长江电力股份有限公司，湖北宜昌 443000)

巴西赫珊娜电站机组最早投产于上世纪80年代，受限于当时的设计理念，定子结构存在一定的设计缺陷，在运行过程中多次发生发电机定子故障。国内同时期投产的葛洲坝电站部分机组也存在类似的设计。目前国内外新安装或改造机组的定子的设计有了很大的改进。解决原机组定子设计缺陷问题的最好方式是对定子进行重新改造，采取更为科学合理的新设计。

在进行彻底改造前，需要采取有效的措施保证机组的安全稳定运行。因此对发电机故障成因分析及防范措施的研究有着很重要的意义。本文从结构上分析发电机设计缺陷以及故障发生的原因，并提出一系列防范措施。

1 发电机存在的主要问题和原因分析

巴西赫珊娜电站位于圣保罗州，是巴拉那帕内玛河流域最下游电站。电站共安装4台单机容量为88.5 MW的轴流转浆式机组，总装机容量354 MW，保证容量为173.9 MW。电站首台机组于1987年投产，其他3台机组陆续于1994年至1996年间投产。电站特许权业主为中国三峡集团巴西公司。

1.1 发电机主要参数

发电机主要参数见表1。

表1 发电机主要参数

1.2 存在的主要问题

2015年1号机组检修期间，检查发现有24处定子铁心翘曲，且发现铁心端部有氧化现象，见图1。实验发现178槽至316槽上部铁心片存在过热点，主要由于定子铁心片绝缘降低，导致电涡流增强。

图1 1号机组定子振动导致局部过热绝缘老化图

1994年，2号机组发电机在新投产调试阶段，发电机运行时有异常磁噪声，在运行1 000 h后，对发电机进行了检查，发现定子铁心多处松动翘曲，见图2。1999年，对2号机组发电机定子铁心和线棒重新进行安装。

2001年，3号机组发电机B相103槽上层线棒定子接地故障。主要由于定子铁心振动造成线棒绝缘受损，见图3，检修时对线棒进行了更换。

图2 2号机组定子铁心部分翘曲图

图3 3号机组铁心片破损及上压指焊缝处理图

2014年，3号机组大修中发现一压指焊缝断裂，且在280槽、281槽、282槽上部的定子铁心片存在变形，见图4。

图4 3号机组压指焊缝断裂和修复后的照片

2014年，4号机组发电机307号线棒绝缘损坏造成接地故障，检查发现306槽与307槽上压指焊缝断裂松动，见图5。

2 故障主要原因分析

图6、图7为赫珊娜电站发电机定子铁心结构设计图和实物图。

图6 赫珊娜电站定子铁心结构设计图和实物图

图7 设计合理的定子铁心结构图

赫珊娜电站机组的定位筋与拉紧螺杆为一体式结构，且定位筋与定子机座环板焊接成为一个整体，定位筋不能浮动。发电机运行时，由于定子铁心与定位筋受热膨胀速度不一样，定子铁心片受到定位筋的挤压力，定子铁心不能自由膨胀，定子铁心易出现翘曲的情况。

另外赫珊娜电站发电机定子铁心在完成压紧后，拉紧螺杆中间与定子机座环板焊接成为整体，这种设计影响了拉紧螺栓的伸长率。而且拉紧螺杆端部未安装有碟形弹簧，机组运行一段时间后，容易造成铁心预紧力不足。因此赫珊娜电站机组定子结构存在一定的缺陷。

目前新改造或安装的水轮发电机定子采用新的结构，发电机定子的定位筋与拉紧螺杆为分体式结构，定位筋与定子托块之间留有间隙，定位筋为活动结构。在发电机运行时，定子铁心可以在一定程度自由膨胀而不会受到定位筋的挤压力，可有效避免定子铁心翘曲变形。拉紧螺杆为穿心螺杆，没有与机座焊接，且上下均安装碟形弹簧，能保证铁心的预紧力[1-2]。

赫珊娜电站机组由于定子的设计缺陷，在运行过程中定子铁心易发生松动，铁心振动加大等情况，进而会造成以下问题。

1)定子铁心振动加大会可能会造成定子铁心片间的绝缘损坏，形成电涡流，导致定子端部温度升高，影响线棒绝缘使用寿命。

2)定子铁心片松动后会与定子线棒发生相对位移，严重时会伤害到线棒表面绝缘，导致定子接地故障[3]。

3)定子振动增大可能导致上压指焊缝断裂，进一步造成铁心预紧力更加不足[4]。

3 故障防范的可行性及主要措施

3.1 故障防范的可行性

机组定子绝缘等级是目前主流的F级绝缘，尽管机组的定子存在一些设计缺陷，根据综合检查时测得的绝缘试验指标来看，发电机仍可继续运行。

表2中为近1年机组定子绝缘试验数据。

表2 发电机近1年定子绝缘试验数据

此外，赫珊娜电站铁心压指设计有限位结构(见图8)，每块压板下方的9根压指通过1根圆周方向的限位杆连接，以限制压指的径向移动。上压指焊接在上层铁心片上，即使上压指焊缝断裂，也能确保压指被限制在铁心的齿部区域内，不会向转子方向偏移。不可能发生因上压指松动后进入空气间隙导致发电机扫膛事故。

上压指松动会造成定子铁心振动进一步加大，严重时造成个别定子线棒绝缘受损。从2000年运行至今，赫珊娜电站发生过2次定子接地故障以及几起由于定子上压指松动导致定子铁芯振动变大，未发生过其他严重的发电机故障。即使发生定子接地故障，也能在很短的时间对故障进行处理，技术风险总体可控。

考虑以上原因以及发电机改造的经济投入，如果加强发电机振动监测，优化运行条件，减少发电机振动，做好预防性检修，保持其继续运行的技术风险是可控的。

此外还可以通过对定子进行彻底更新改造处理来防范故障，但现阶段难以通过对上齿压板和上压指结构进行局部的优化改造来解决定子铁心预紧力不足的问题。

主要的原因有：①定子的拉紧螺杆与定子机座焊接在一起，在不更换拉紧螺杆的前提下，不能有效解决预紧力不足的问题；②拆卸难度大，上齿压板的固定螺母满焊在齿压板上，上压指焊接在铁心端部，如需要拆卸上齿压板或上压指，需要进行打磨作业，打磨作业中产生的金属粉末难以有效控制；③改造的范围大，由于定子上齿压板的上方有汇流排等部件，作业空间狭，不方便作业，如拆卸上齿压板，需要将定子上齿压板上部的汇流排等部件全部拆除。