發(fā)電機轉子槽絕緣位移的原因及處理

韓英杰，唐錦凡，吳 莊，陳佰成

（深圳南山熱電股份有限公司，廣東 深圳 518054）

1 概述

南山熱電廠1號發(fā)電機系ALSTOM產(chǎn)T240-370型封閉循環(huán)空冷發(fā)電機，額定容量171.875MVA，額定電壓15000V，額定電流6615A，2001年投產(chǎn)。該機型屬我國燃機電廠的主力機型。2006年1號燃機發(fā)電機檢修中發(fā)現(xiàn)轉子線圈內部槽絕緣從驅動端向勵磁端不同程度的位移（如圖1所示），最明顯的兩條槽絕緣位移量分別為5.4cm和3.5cm。同時，轉子絕緣性能明顯下降，500V搖表測試為0.5M?左右。同時也了解到國內同型機組也出現(xiàn)類似的位移情況（勵側向驅側），但轉子絕緣未受影響。

圖1 轉子槽絕緣外移

2 發(fā)電機槽絕緣位移的故障分析

發(fā)電機轉子的槽絕緣產(chǎn)生位移是發(fā)電機非常罕見的故障，而在ALSTOM產(chǎn)該型機組中則連續(xù)出現(xiàn)。經(jīng)過與國外發(fā)電機廠家、國內同類發(fā)電機廠家、同機型電廠反復論證，分析結果如下：

（1）轉子結構設計不合理致使槽絕緣位移的限制措施失效。該型轉子在端部設計上原本做了限制槽絕緣移動的措施，如圖 2所示，弧形凹槽本是為消除轉子線棒上應力集中而設計的，但也同時也使槽絕緣較易突破該限制而向一側移動，沒有起到限制槽絕緣移動的作用。

圖2 原限制槽絕緣位移的措施

（2）機組頻繁起停導致轉子銅排及槽絕緣熱脹冷縮的不均勻是槽絕緣產(chǎn)生移動的原因。轉子在起停中承受著變化的溫度場，銅鐵膨脹差產(chǎn)生的熱應力、層間絕緣和線匝的熱應力、同一線匝各點受冷卻風場影響造成溫度差異而引起的應力不同，這三種熱應力力圖使線匝沿軸向伸長。轉子本體、絕緣（-NHN）、繞組銅排膨脹差產(chǎn)生的伸縮量可用下面公式計算：

式中：△L1——銅線對絕緣槽的相對伸長量，mm；

△L2——絕緣槽對轉子本體的相對伸長量，mm；

L——轉子的線匝長度，mm；

λCu——銅線的線膨脹系數(shù)，λCu=17 ×10－6，1/℃；

λFe——轉子的線膨脹系數(shù)，λFe=12 ×10－6，1/℃；

λNHN——絕緣（-NHN）的線膨脹系數(shù)，λNHN=9× 1 0?6，1/℃[3]；

tCu——銅線溫度，℃；

tFe——鐵齒溫度，℃；

t0——轉子加勵磁前的溫度，可取進風溫度，℃。

如t0取機組盤車備用狀態(tài)下的溫度40℃，轉子鐵心溫度tFe、槽絕緣溫度tNHN、轉子繞組銅排溫度tCu相同，轉子繞組每槽銅排長為 3700mm，轉子選取同樣長度部分，對應不同的tCu，根據(jù)公式計算出相對伸縮量見表1。

表1

可見，轉子槽絕緣與轉子繞組銅排每次期起停機各會有 1.18mm的相對位移，轉子槽絕緣與轉子鐵心每次起停機各會有 0.44mm的位移。在國內，該型機組均是作為調峰機組使用的，基本每天起停一次，如果沒有良好的限位措施，其隨機串移的速度將十分可觀。而串移的方向是根據(jù)材質的特性隨機產(chǎn)生的。這也可以解釋南山熱電廠和同機型電廠位移現(xiàn)象相反的現(xiàn)象。

同時，當轉子處于旋轉狀態(tài)時，繞組線匝受到下部線匝產(chǎn)生的離心力的作用，使其厚度變小，長度變大，即壓縮應力；而鐵齒受到徑向拉伸應力，使本體直徑增大，長度縮短，這樣，轉子繞組的線匝對轉子鐵齒有機械伸長差，在繞組上產(chǎn)生了機械應力差。在熱應力和機械應力的作用下，繞組線匝與槽絕緣之間、轉子與槽絕緣之間會有方向相反的摩擦力。由于制造工藝的原因，單靠此二力很難平衡，長期頻繁起停發(fā)電機，繞組線匝、槽絕緣、轉子剛體熱脹冷縮，摩擦力不對稱，就發(fā)生槽絕緣位移。

（3）槽絕緣位移后出現(xiàn)的空氣隙易導致臟污積垢，是引起轉子絕緣性能下降的主要原因。槽絕緣向一側產(chǎn)生位移后在轉子的另一側就產(chǎn)生了相應的一個空氣隙，該空氣隙本身也足夠起到絕緣的作用。但是機組運行中（尤其是燃燒重油工況下）產(chǎn)生的粉塵，煙氣等臟污很容易進入該氣隙，導致轉子絕緣性能下降。1號機的槽絕緣位移后空氣隙出現(xiàn)在靠燃機一側，易受粉塵、煙氣等臟污影響，絕緣性能明顯下降。其它同機型機組槽絕緣位移方向相反，空氣隙在勵側，較為干凈，因此絕緣性能暫未受影響。

3 發(fā)電機槽絕緣位移的危害

發(fā)電機轉子槽絕緣位移是發(fā)電機的重大安全隱患，必須引起重視，及時處理。燃機發(fā)電機采用空氣冷卻，轉子轉動時，冷卻空氣從兩端向中間吹。轉子銅線、匝間絕緣與冷卻介質直接接觸，容易造成積灰。積灰的嚴重后果是匝間短路，繼而引起熱不平衡、轉子振動。

槽絕緣位移使轉子線棒與轉子鐵芯失去絕緣體隔離，只保持空氣隔離，并且在槽絕緣移進的端部爬電距離較短。因此槽絕緣位移處轉子對地絕緣尤其薄弱。因沒有絕緣體隔離，當出現(xiàn)過電壓時，有可能造成對地擊穿事故。

另外，南山熱電廠1號機2006年8月最大位移量為5.4cm，2009年最大位移量為7.10cm，說明槽絕緣位移還在不斷發(fā)展并擴大，當位移達到一定長度時，轉子線棒與轉子鐵心之間由于失去支撐，極易發(fā)生橈性變形而形成穩(wěn)定金屬性接地。

4 發(fā)電機槽絕緣位移的解決方案

目前，國內大多數(shù)發(fā)電機轉子上采用的間苯二酚與聚芳纖維紙聚酰亞胺薄膜復合材料（NHN）熱壓而成的“U”形槽絕緣?！癠”形槽絕緣的電氣性能比較穩(wěn)定，但所占據(jù)的空間位置大，而且整體的柔韌性比較差，在使用過程中極容易受到損傷。同時，“U”形槽絕緣在制造過程中所使用的模具特殊，不同型號和電壓等級的發(fā)電機所需模具的尺寸都不相同，開發(fā)新模具就會增加改造成本，造成不必要的浪費。1號發(fā)電機采用的是“L”形槽絕緣?！癓”形槽絕緣與“U”形槽絕緣相比，可以更高地承受彎曲、壓縮和拉伸等各種機械應力，而且整體的柔韌性好，增大了發(fā)電機轉子的通風面。因此，對槽絕緣的結構我們決定不進行改造。

其次，參考其他發(fā)電機轉子槽絕緣定位方法，試圖采取固定銷的辦法，但由于它的L型結構，使固定銷無合適的安裝位置。

最后，采用在轉子槽口絕緣靴加工凸出臺階，當槽絕緣因熱漲冷縮或任何原因產(chǎn)生位移，這個臺階都會有效地將其阻擋，防止位移。為了防止槽絕緣熱漲冷縮產(chǎn)生巨大應力造成絕緣靴或槽絕緣損壞，凸出臺階與槽絕緣留有2.5mm間隙（如圖3和4所示）。

2009年4～6月，南山熱電廠1號發(fā)電機轉子槽絕緣按照上述方案，由國內廠家進行了修理和改造，7月初投入運行。經(jīng)對槽絕緣多次窺孔檢查和絕緣電阻測試，目前情況良好。

圖3 絕緣靴改造前

圖4 絕緣靴改造后

5 結束語

發(fā)電機轉子槽絕緣位移是罕見的，國內有部分ALSTOM生產(chǎn)的9E發(fā)電機也存在與南山熱電廠1號發(fā)電機類似的問題，如南山熱電廠另一同型發(fā)電機及月亮灣電廠一臺同類機型都有位移現(xiàn)象。分析認為，該型發(fā)電機轉子槽絕緣設計不合理，有必要對同類機型進行檢查和改造。在轉子槽口絕緣靴加工凸出臺階并和槽絕緣留有2.5mm間隙的辦法，經(jīng)過幾個月的運行及連續(xù)幾次的檢查，效果良好。

南山熱電廠這次采用國內技術解決了槽楔位移問題，值得同行借鑒。

[1]楊濤, 胡春秀, 張洋. 新型汽輪發(fā)電機轉子槽絕緣結構的研究[J]. 大電機技術, 2008（3）.

[2]陳世坤. 電機設計[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社,1990.

[3]汪耕, 李希明, 等. 大型汽輪機的設計、制造與運行[M]. 上海: 科學技術出版社, 2000: 294.