发电机定子硅钢片滑出原因分析及处理

李德红

（1.武汉大学，湖北 武汉 430072；2.紧水滩水力发电厂，浙江 丽水 323000）

1 工程概况

紧水滩水电站总装机容量300 MW，共6台水轮发电机组，单机容量为50 MW，机组于1986年～1988年陆续投产发电。发电机的型号为SF-K50-30/6400，定子铁心外径6 400 mm，内径5 760 mm，高度1 500 mm。定子铁心与机座采用钢性结构连接，9块齿压板连接，108根M42拉紧螺杆，54根定位筋。铁心整圆由27张扇形硅钢片叠装而成，硅钢片厚0.5 mm，上、下端与盒形压齿铆接的垫片厚0.8 mm。铁心共有324槽，26层通风槽将铁心分为27叠段，通风槽高10 mm，通风槽钢为工字形。发电机通风方式为双路径向封闭自循环通过系统，转子无风扇结构。

2 发电机定子故障的情况

2.1 6号机定子故障

2005年1月19日，紧水滩水电站6号发电机在停机过程中发生定子接地故障，经查故障点为B相下层分支31号槽线棒接地。随后在发电机大修解体检查中发现在31至42槽间的下端第1片硅钢片（除0.8 mm垫片）向内滑出，31槽滑出7 mm，42槽滑出2 mm。拔出线棒在31槽内硅钢片的一个角滑入线槽，硅钢片滑出割破31号槽下层线棒绝缘层，引起B相接地故障。

2009年9月8日，用内窥镜对6号机定子铁心进行检查。定子原来处理过的31～43槽硅钢片正常，无明显滑出现象。319～19槽硅钢片存在明显的滑出现象，其中最为明显为324、18、19槽的硅钢片，滑出长度2～3 mm。检查铁心外侧靠近鸽尾筋处，发现硅钢片的鸽尾槽角边在鸽尾筋侧弯曲变形。

2.2 2号机定子故障

2009年6月8日，2号发电机在开机过程中发生定子接地故障，经检查故障点B相上分支150号槽下层线棒下端部接地。随后机组大修中解体检查，发现在139至151槽间的下端第一片硅钢片向内滑出，滑出长度约6 mm，硅钢片滑出割破150号槽下层线棒绝缘层，引起B相接地故障。同时发现其他部位定子下端第一片硅钢片也存在向内少量滑出，在152至181槽间滑出约1.5～2 mm；在231至242槽间滑出约0.5～0.8 mm；在1至43槽间滑出约1～2 mm；在51～110槽间滑出约0.5～1 mm。

检查铁心后面靠近鸽尾筋处，发现硅钢片的鸽尾槽角边在鸽尾筋侧弯曲，对此分析为硅钢片向内滑动时，角边被鸽尾筋挡住，硅钢片向内滑动力较大，硅钢片的鸽尾槽角边受压失稳弯曲变形。

2.3 其他机组定子铁心情况

2009年底，对1、3、4、5号机定子铁心进行检查。 发现1号机定子铁心有3处硅钢片滑出现象，向内滑出约1～1.5 mm。4号机定子铁心有2处最下端5～6片硅钢片不整齐，有错位现象，错位约1 mm，发现在铁心67～91槽下端第一片硅钢片滑移方向与其他相反，整片往外侧滑移，滑移达4～5 mm。35号机定子铁心检查未发现异常情况。

3 定子铁心硅钢片滑出原因分析

3.1 铁心硅钢片受力分析

从定子铁心硅钢片滑出现象看，发生在铁心下端第1片硅钢片 （不算0.8 mm垫片）处，大部分向内滑出，只有4号机定子有一处向外滑出，滑出处硅钢片的鸽尾槽角边在鸽尾筋侧弯曲变形。发电机铁心在工作状态，其受力较复杂，包括温度升降的热胀冷缩力、铁心压紧的摩擦力、定位筋与鸽尾槽的间的阻挡力、电磁力、振动产生的力等。硅钢片滑出必须克服摩擦力、鸽尾筋的阻挡力和切割线棒绝缘的力，此力要非常大。

3.2 定子铁心温度分析

3.2.1 定子铁心通风与温度分析

发电机通风方式为双路径向封闭自循环通过系统，发电机原设计在上机架和下机架上设计有上挡风板和下挡风板，由于机组安装时各种原因，发电机并没有安装下挡风板。根据机组投产初的 《发电机通风及温升试验报告》，测量了铁心通风道的风速和铁心各叠段尾部温度，如图1所示，发现发电机铁心风道的风速存在两个特点：一是中间段风速最高，上端风速略低，下端风速最低；二是曲线的各峰值正好对应着转子磁轭风道，而中间最高的峰值向上端偏移。说明定、转子间隙上端安装了上挡风板，上端的风损小；下端没有安装下挡风板，下端风损大，使上端比下端的风速、风压大。从温度曲线看，发电机定子铁心温度是个不均匀的温度场，呈现两端高，中间低的现象，铁心温度与铁心通风道的风速有关。

3.2.2 铁心端部温度测量分析

由于原埋设的铁心测温装置离铁心上、下端有一定距离，不能反应铁心上、下端头的温度，特别是不能反应硅钢片滑出位置铁心温度。2009年7月，对紧水滩水电站2号发电机大修线棒处理中，在铁心第140槽上、下端埋入热电耦，测量铁心上、下端部温度的测试。测量空载和带符合试验测量铁心端部温度如表1所示。

图1 发电机铁心风速及温度对比曲线

表1 发电机铁心温度

由试验数据可知，铁心下端温度比上端温度高，且发电机额定负荷时，温差最大达到19.80℃。加减励磁时铁心下端的温度上升非常快，盒形压指的温度比铁心的温度高11℃，定子的盒形压齿为碳钢，导磁较好，转子磁极在此处的漏磁较大，盒形压齿产生的涡流的，发热量大。

3.2.3 产生铁心温差大的原因分析

（1）铁心上、下端温差大，说明上、下端通风效果差异大。下端没有安装下挡风板，下端风损大，是一主要原因。

（2）自从电站AGC调节方式投运后，发电机的开停机次数大幅增加，年平均开机次数由原来的400次猛增到1 000多次，其中6号发电机最多开机次数为2005年的1 760次。频繁的开停机制动器加闸制动产生了大量的粉尘。检查机组定子转子通风槽，发现转子磁轭内侧通风槽入口被粉尘封堵严重，制动器在转子下面，因此转子下部通风槽入口封堵更严重，导致通风不畅。

（3）在定子铁心上、下端，只靠盒形牙齿的通孔通风，其他被线棒固定绑扎材料挡住，因此铁心上、下端通风散热效果差。

3.4 铁心压紧度检查

2010年1月，在6号机大修中，对该定子铁心拉紧螺杆进行抽查，判断铁心是否松动，检查采用松开拉紧螺杆上端螺帽的方法，用百分表检测拉紧螺杆的伸长度变化，核对伸长值是否符合设计要求。抽查6根拉紧螺杆，分别位于硅钢片滑出位置和未出现滑出位置。比较6只螺杆的测量数据，发现出现铁心硅钢片滑出部位的螺杆伸长值相对较小，而未出现滑出部位的螺杆伸长值相对较大，如表2所示。从数据看硅钢片滑出与铁心松动无关。

表2 铁心拉紧螺杆伸长量检查数据

3.5 综合分析

由于紧水滩水电站发电机下端没有安装下挡风板，下端风损大，加上铁心上、下端通风差，导致中间段风速最高，上端风速略低，下端风速最低，使铁心各部散热不均匀，铁心呈现中部温度低、上端温度高、下端温度更高的现象。机组运行时铁心各部温度不均匀，产生不均匀热胀冷缩应力，铁心下端温差最大，热胀冷缩应力差也最大。开机后铁心温度上升，铁心下端温度上升相对快，铁心下端与铁心上部及定子机座存在温差，开始径向和周向热胀。下端第1片硅钢片与垫片受压指的约束，径向热胀受限，以周向热胀并局部向下变形为主；而第2片以上硅钢片周向热胀变形受限，以径向热胀为主，造成第1片与第2片硅钢片相对滑动。停机后铁心温度下降，下端温度降幅大向内收缩，下端第1片硅钢片受上部硅钢片收缩带动向内，而垫片受压指限制，造成下端第1片硅钢片与垫片相对滑动。电站AGC投运后，机组频繁启停，铁心热胀冷缩应力变化更频繁。下端第1片硅钢片交变热应力作用下向内滑移，克服摩擦力、鸽尾筋的阻挡力，滑出割破线棒绝缘，导致线棒接地故障。

4 处理情况

4.1 硅钢片滑出处理

对2号机和6号机进行处理时，对硅钢片滑出引起接地区域的线棒进行更换，对硅钢片滑出量较大，推算已割破垫条并开始割损线棒绝缘层的线棒也进行更换。对线槽进行处理，拆出旧线棒后对硅钢片滑入槽内部分进行切除、磨平，使槽位平整，清扫干净后涂上绝缘漆。对滑出区域底层几片硅钢片进行辅助加固，用不锈钢制作了专用的止动拉勾，钩住硅钢片前端，拉勾焊接固定在盒形压齿内，增加硅钢片径向阻力。

4.2 加装下挡风板

重新加装下档风板，下挡风板通过调整螺杆固定在下机架和基础上，主要材料为TM-199间苯型树脂，下挡风与定子间靠耐热橡胶板密封，耐热橡胶板绑扎在下挡风，以保证风道密封。

4.3 定期清扫检查

每年发电机定期检修中，对定子、转子的通风沟进行全面检查清扫，特别是转子支架内的进风槽口清扫，保证风道通畅。定期对1～6号机发电机定子进行检查，通过内窥镜检查下层硅钢片，拍照测算比对，分析硅钢片滑移变化情况。

5 处理后效果

5.1 定子下部通风改善

发电机下档风板未安装时，空气间隙的漏风比较大，大部分直接回到转子，漏风向下在定子下部风道形成风帘，影响空冷器出口冷风回流到转子。发电机下档风板重新加装后，空载开机试验，观察定子下部通风情况，与其它机组比较，空冷器出口冷风通过定子下部风道回到转子的风量明显增大。

5.2 处理后铁心后侧红外线测温

紧站6号机大修后运行试验，带负荷运行20 h后，停机10 min内对部分铁心后侧进行了红外线测温 （见表3），仪器为红外线点温仪。同时采用同样的方法对紧站2号机铁心后侧进行了红外线测温（见表4），便于比较。6号机、2号机铁心红外测温数据如下，考虑到两台机测量时环境温差为6℃，折算后温度基本相当。从数据看2号机铁心上、下两端的温度高于中部铁心的温度，而下端的温度比上端要高。对比6号机加装下挡风板后下端的温度比上端要低。

5.3 与其他机组比较

表5为1月～8月1、3、4、6号机组定子铁心温升对比，6号机组于2010年3月增加下挡风板，由表中数据分析可知，6号发电机定子下部安装挡风板后，铁心下部温度上升幅度明显小于铁心上部和中部。而1、3、4号机铁心上、中、下部温度上升幅度相近，还是下部上升偏大，说明6号发电机定子下部铁心最高运行温度下降明显。

表3 6号机定子铁心红外测温数据 ℃

表4 2号机定子铁心红外测温数据 ℃

5.4 定子硅钢片检查

紧水滩电站6号运行半年后，检查发电机铁心下端部，硅钢片未发现明显的继续滑出趋势，由于时间短还需进一步观察。

表5 2010年1、3、4、6号机组定子铁心温升对比 ℃

6 结 语

紧水滩水电站发电机定子硅钢片径向滑出原因比较复杂，影响因素应该是多方面的，分析可能不全面。现阶段通过加装下挡风板、加装专用的止动拉勾、加强定转子清扫力度等手段，从温度来看取得了较好的效果，硅钢片是否继续滑出还需进一步验证。另外盒形压齿发热、铁心端部通风差等问题必须通过技术改造来解决。