发电机定子穿芯螺杆损坏原因分析及处理

徐刚

(华电四川宝珠寺水力发电厂，四川 广元 628003)

0 引言

某水电站采用三相同步、卧轴灯泡贯流式水轮发电机，定子铁芯外径为6 020 mm，其定子外径为过流流道，即定子外径直接和水流接触。发电机采用密闭强迫自循环混合式通风系统，为一次水循环冷却方式。发电机定子机座采用钢板焊接结构，定子在制造厂内叠片下线，整体运输。定子铁芯采用0.5 mm厚的优质低损耗硅钢片叠压而成，采用绝缘穿心螺杆紧固。发电机主要参数：发电机型号，SFWG30-44/6020；额定电压，10.5 kV；额定电流，1 968 A；额定转速，136.4 r/min；极数(2 P)，44；相数，3；槽数，264。

1 故障情况

该电厂灯泡贯流式机组于2006年投产，至今未进行过大修。2010年10月5日，#3机组运行时报“发电机定子一点接地”后事故停机，运行人员测发电机定子绝缘为零，立即做好安全措施后进发电机内检查，在上、下游侧定子挡风板处发现若干碎铜块，最大铜块为40 mm×25 mm×8 mm(长×宽×高)。在下游侧定子外壳处发现有定子穿芯螺杆垫圈和绝缘垫块脱落，可确认有1根穿芯螺杆断裂，1根定子穿芯螺杆垫圈和绝缘垫块脱落(未发现螺母)。经相关技术人员研究后将机组转入大修。

10月20日将发电机定子吊出后，工作人员对定子132根穿芯螺杆绝缘进行了测量(数字兆欧表3 125，测量电压500 V)。穿芯螺杆对地绝缘电阻值低于合格值25 MΩ的共计32根，其中对地绝缘电阻值为零的21根。另外，发现定子铁芯穿芯螺杆损坏8根，具体情况见表1。烧熔变形的螺杆及螺母如图1所示(只选#194及#200螺杆)。

表1 定子铁芯穿芯螺杆损坏情况统计

最初以为更换损坏的穿芯螺杆就能处理好，而要更换1根穿芯螺杆就不得不取出许多根定子上层及下层线棒，因此,共取下层线棒48根，上层线棒102根。在将#194及#200螺杆的定子穿芯螺杆周围上层及下层线棒取完后，发现定子铁芯芯片因过热而明显变形，同时用内窥镜发现烧熔的熔化物堵塞铁芯螺杆孔，无法清除。生产厂家人员到场后，判定定子铁芯已严重受损，只有重新对定子铁芯进行叠片，随后#3机组转入扩修。上定子铁芯受损图片及内窥图如图2所示，可见这2槽芯片明显向上弯曲。

2 原因分析

相关技术人员在对定子铁芯处理的同时，分析了#3机组定子受损的原因，认为主要集中在3个问题上：为什么这么多根定子穿芯螺杆的绝缘为零，为什么有8根定子穿芯螺杆的螺母及垫块变形、断裂而脱落，定子穿芯螺杆为什么有4根烧熔。

图1 烧熔变形的螺杆及螺母

图2 定子铁芯受损图片及内窥图

对这3个问题进行梳理的同时也进行了多项试验，包括对定子穿芯螺杆材质的第三方检测，穿芯螺杆两端绝缘垫块材质的分析，定子穿芯螺杆的受力分析，定子穿芯螺杆振动特性分析等。

(1)对定子穿芯螺杆和绝缘垫块的材质进行检测，均合格。在分析发电机定子工作环境时注意到：由于机组是灯泡贯流式机组，定子外壳直接和水流接触，因此，定子内部时有冷凝水产生，特别是在机组从运行热态转为冷态之时，情况更为明显；运行中组合轴承的密封盖在运行中密封性变差，组合轴承的油雾有少许扩散至发电机定子内部。绝缘垫块为酚醛材料，本身很易吸潮，长时间吸潮后易使绝缘垫块的绝缘性能大幅降低，造成多根定子穿芯螺杆的绝缘为零。

对其中1根绝缘为零的穿芯螺杆更换新的绝缘垫块后进行测量，绝缘值立即恢复正常，完全验证了上面分析的正确性。

(2)通过对定子穿芯螺杆进行受力分析，确定其受力在设计范围内。在对电厂外接电力系统的详细了解中得知：该电厂直接接入地方110 kV电网，而地方电网上有铁路机车，还有许多小工厂和农村负荷，很多时候定子工作在不平衡负载状态。机组录波图中多次出现较大不平衡电流记录也证明了这一点。不平衡电流在转子磁极表面会产生负序电流，而负序电流相对定子电流频率为100 Hz，因此使转子产生100 Hz的振动，同时将振动传递给定子使其也有同频率的振动。

在机组运行振动和定子热胀冷缩的共同影响下，部分螺杆的螺母逐渐松动，使相应定子穿芯螺杆慢慢变得无拉紧力。专业人员在分析穿芯振动特性时发现，在无拉紧力的情况下，定子穿芯螺杆的固有振动频率约为103 Hz，极易造成穿芯螺杆的共振。长期接近共振使多根定子穿芯螺杆的螺母及垫块断裂和脱落。

(3)在定子穿芯螺杆接近共振工况时，个别定子穿芯螺杆的绝缘被铁芯磨破。当1根定子穿芯螺杆有2处绝缘被磨破时，就形成接地短路，在转子旋转磁场下会在这两处间产生较大的感生电流(可达到800A左右)，这么大的短路电流使定子穿芯螺杆温度达到1400℃而烧熔，此热量传递到定子铁芯片上，使定子铁芯不均匀受损而变形。

3 处理措施

原因分析清楚后，在处理定子铁芯时针对性地采取了如下措施：

(1)在定子上顶盖内装了6组共9 kW的加热器，当机组停机后自动投入加热，在机组运行后停止工作,防止发电机内产生冷凝水。

(2)对组合轴承的密封进行改造，以减少运行中油雾的产生。

(3)定子穿芯螺杆绝缘垫块选用比原型号高一标号的产品，以提高绝缘垫块在恶劣工作环境中的绝缘能力。

(4)定子穿芯螺杆采用新材料，以提高其机械强度。

(5)在其光杆段包浸胶玻璃丝带，然后在外面套绝缘套管，再在最外层包1层绝缘材料，共在螺母旋紧后刷上绝缘漆，使定子穿芯螺杆的整体绝缘性能大幅提高。

(6)因定子穿芯螺杆在铁芯孔内部新增3层绝缘材料，其和铁芯接触得很紧密，使定子穿芯螺杆的固有振动频率远离其共振频率，也限制了定子穿芯螺杆的振幅，同时降低了定子穿芯螺杆在机组运行中对绝缘材料的磨损，有效防止了定子穿芯螺杆过热情况的发生。

4 结束语

通过上述处理后，在#3机组运行中多次对发电机定子穿芯螺杆进行监测，到目前为止，穿芯螺杆的绝缘值都很正常，螺杆螺母也完全在最初的位置上，证明文中处理措施有效。

参考文献：

[1]刘云.水轮发电机故障处理与检修[M].北京:中国水利水电出版社,2002.

[2]沙锡林.贯流式水电站[M].北京:中国水利水电出版社,1999.

[3]刘国选.灯泡贯流式水轮发电机组运行与检修[M].北京:中国水利水电出版社，2006.