沙灣水電站1#機組定子鐵芯變形故障分析及處理

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(1.中國水電建設集團四川電力開發(fā)有限公司，成都，610041；2.四川圣達水電開發(fā)有限公司，四川 樂山，614900)

1 概況

四川大渡河沙灣水電站位于四川省樂山市沙灣區(qū)葫蘆鎮(zhèn)河段，為大渡河干流下游河段梯級開發(fā)的第一級水電站，開發(fā)任務是以發(fā)電為主，兼顧灌溉。水庫正常蓄水位432.0m，總庫容4867萬m3。沙灣水電站安裝4臺單機容量120MW的軸流轉漿式水輪發(fā)電機組，裝機總容量480MW。2005年12月主體工程開工，2009年4月首臺機組并網(wǎng)發(fā)電，2010年3月4臺機組全部并網(wǎng)發(fā)電。

沙灣水電站4臺水輪發(fā)電機組由東方電機廠制造，型號為SF120-78/13200，1#機組于2009年4月投產(chǎn)發(fā)電。在投產(chǎn)后短短幾年間，生產(chǎn)運行人員便發(fā)現(xiàn)機組存在振動和噪聲偏大的問題，并經(jīng)過一段時間的觀測，發(fā)現(xiàn)振動隨負荷的增加而加大，且不同方向振動和噪聲均不一樣。為了探尋其原因，我們利用機組檢修的機會，對1#機組進行了全面檢查，發(fā)現(xiàn)1#機組多處存在定子鐵芯變形問題。

2 定子鐵芯檢查情況

對1#發(fā)電機上下端部同一軸線16個方向的空氣間隙、定子鐵芯波浪度、波浪范圍、鐵芯高度、鐵芯松動間隙及拉緊螺桿扭矩進行了測量，其空氣間隙測量示意見圖1所示。

圖1a 圖2b

圖1 發(fā)電機16個方向空氣間隙測量

數(shù)據(jù)表明：①上部平均間隙16.82mm，略小于標準間隙(17mm)。最大間隙17.90mm，與平均間隙之差為1.08mm，為平均間隙的6%。最小間隙15.16mm，與平均間隙之差為-1.66mm，為平均間隙的-10%；②下部平均間隙17.18mm，略大于標準間隙(17mm)：最大間隙18.38mm，與平均間隙之差為1.20mm，為平均間隙的7%；最小間隙16.10mm，與平均間隙之差為-1.08mm，為平均間隙的-6%。以此判斷出1#發(fā)電機可能存在定轉子不同心。

拆除機組12個空氣冷卻器，仔細檢查定子鐵芯，發(fā)現(xiàn)有10處位置段出現(xiàn)鐵芯變形，所測數(shù)據(jù)大多超過圖紙要求鐵芯高度(1528mm～1535mm)的標準范圍，其具體數(shù)據(jù)及測量示意見表1、圖2。

表1 鐵芯變形檢查測量

圖2 鐵芯變形示意

用電動液壓扭矩扳手預緊拉緊螺桿螺栓時，部分螺桿力矩僅為1100N·m左右，遠未達到設計值1520N·m。

在檢查中還發(fā)現(xiàn)，部分鐵芯沖片與定位筋接觸處存在斷齒現(xiàn)象，斷裂造成的微小碎片掉落于機組環(huán)板處。在1#空氣冷卻器處，一定位筋與托板接觸處損壞，掉落一塊約30mm長弧形碎片，由此可判定1#發(fā)電機組定子鐵芯存在松動現(xiàn)象。

3 定子鐵芯變形危害及原因分析

定子鐵芯變形將會形成一種磁振動，如果機組長期在這種狀態(tài)下運行，勢必會引起機組噪音增大，振動加劇，破壞原機組的磁路線，形成不正常、不規(guī)則的磁路，改變原機組的正常運行狀態(tài)，造成定、轉子內(nèi)部結構的損壞，給機組結構造成無法預知的破壞，進而導致重大事故。形成的原因主要有以下幾種：

3.1 機組安裝質量問題，特別是定位筋的安裝至關重要。在掛定位筋時，要充分考慮定位筋與沖片間隙配合，沙灣水電站1#發(fā)電機定位筋與沖片間隙設計值為0.2mm，而實際上有很多變形的硅鋼片長度遠超兩條定位筋之間的距離。

3.2 定子硅鋼片的質量較差、絕緣漆或氧化膜厚度不均勻，硅鋼片有不同程度的不平度或去毛刺不徹底。這些都會影響到定子鐵芯的安裝質量。如果存在以上因素，在定子鐵芯裝壓時就壓不緊、壓不實，在安裝后波浪度也較大，這正吻合了實測結果。誠然，哪怕在機組安裝時定子鐵芯確已壓緊，但在機組運行時由于巨大的電磁力矩以及多次開停機熱脹冷縮的作用，也會導致定子鐵芯松動。

3.3 發(fā)電機定子鐵芯壓緊工藝難度較大，特別是手工壓緊更是如此。在定子鐵芯現(xiàn)場疊片組裝后，不能完全確保192根螺桿對鐵芯的壓緊力一致，在1#發(fā)電機啟、停過程中，由于熱脹冷縮不均勻，會導致鐵芯波浪度以及硅鋼片層間間隙增大。

3.4 定子鐵芯拉緊螺桿質量問題。沙灣水電站定子鐵芯的拉緊螺桿扭矩為1520N·m，要承受如此高的力矩對應的拉力，對拉緊螺桿的機械強度有較高的要求。如果材料質量不好，其機械性能將會受到限制，不能獲得較高的片間壓力和裝壓質量。

3.5 定子鐵芯拉緊螺桿的把合螺母沒有采取可靠的鎖定措施，也是造成定子鐵芯松動的重要原因。1#發(fā)電機組在運行過程中，由于要受機械和齒諧波振動的作用，把合螺母在這種交變壓力的長期作用下會出現(xiàn)松動，從而造成定子鐵芯的松動。

4 定子鐵芯變形防范措施

4.1 加強1#發(fā)電機組安裝質量的控制，防止定子鐵芯在運行中出現(xiàn)松動。在定子鐵芯裝壓的過程中，重點要對定位筋的安裝調整、疊片控制、鐵芯的壓緊等加強控制。由于目前一般都采用浮動定位筋，因此在定位筋與托板間預留的間隙就顯得尤為重要。在定子裝壓的整個過程中，都要確保測量數(shù)據(jù)的準確性、真實性及可靠性，以保證定子鐵芯的安裝質量。

4.2 定子鐵芯硅鋼片選材用低損耗、無老化、高導磁率的優(yōu)質冷軋硅鋼片，兩側涂刷的絕緣漆厚度均勻且不應超過0.025mm；拉緊螺桿采用高性能冷拉圓鋼管，其機械強度應能滿足所承受的拉力，以保證硅鋼片的層間壓力和安裝質量。

4.3 為控制定子鐵芯的熱膨脹量，可增加通風溝的數(shù)量。這樣冷卻空氣在定子鐵芯內(nèi)部流通時更加順暢平衡，使定子鐵芯冷卻更均勻、更充分，提高了定子鐵芯的冷卻效果，減少了定子鐵芯因溫度升高所引起的熱膨脹量。

4.4 為增加定子鐵芯剛度，便于定子鐵芯壓緊，減少定子鐵芯振動，在定子鐵芯軛部增加高強度的、非磁性穿心螺栓，以加強定子鐵芯的把緊力。同時，在穿心螺桿和拉緊螺桿端部裝設蝶形彈簧，使壓緊后的螺桿有一定的伸長值，加之蝶形彈簧有一定的壓縮量，所以當定子鐵芯長期運行后發(fā)生伸縮時，螺桿的伸長和蝶形彈簧的壓縮量可以起到補償作用，仍能維持對定子鐵芯必須的壓緊力，保證定子鐵芯長期運行后不會松動。

5 1#發(fā)電機組定子鐵芯變形處理方法

利用電動液壓扭矩扳手，分別把緊192個拉緊螺桿螺栓。由于定子鐵芯下部拉緊螺桿螺母已被點焊，所以只需把緊鐵芯上部拉緊螺桿螺栓即可。整個把緊過程分4個回合，每個回合都是一圈，分別對稱、分次把緊，對應的把緊扭矩依次為1100N·m、1300N·m、1400N·m、1520N·m。每次把緊后都要測量鐵芯高度、定子絕緣，意在對比壓緊情況，分析拉緊過程中定子絕緣是否受損。

通過對拉緊螺桿螺栓把緊，定子鐵芯松動現(xiàn)象有所好轉。拉緊處理后鐵芯變形松動處高度值、范圍及松動間隙數(shù)值見表2所示。

表2 拉緊處理后鐵芯變形測量

利用電動液壓扭矩扳手把緊拉緊螺桿螺栓，能夠對鐵芯變形起到很大抑制作用，但是，在鐵芯變形松動處上部粘膠片與普通片之間仍然存在累積間隙，所以還需要采用斜楔子對間隙進行打緊處理。楔子由環(huán)氧酚醛玻璃布板3240制成，分為長度為100mm、250mm的兩種規(guī)格，分別對10處松動處進行打緊處理。如果不打楔子，那么松動的硅鋼片在巨大的電磁力矩作用下，會產(chǎn)生來回彈動，長期反復以往，硅鋼片片間絕緣就會損壞，在內(nèi)部形成渦流，造成鐵芯發(fā)熱。如果不及時處理，將會惡性循環(huán)，絕緣被大量損壞，發(fā)熱現(xiàn)象越發(fā)嚴重，甚至導致機組重大事故。

通過以上兩種方法處理，機組在恢復后帶負荷運行時噪聲和振動明顯減小，1#發(fā)電機組層噪聲沒有“嗡嗡聲”。經(jīng)對定子機座的水平振動測試(處理前、后數(shù)據(jù)對比詳見3)，機座水平振動明顯下降，效果明顯。

表3 定子機座水平振動測量

6 結語

造成發(fā)電機組定子鐵芯變形的原因有很多，若不加以及時處理，將會為以后發(fā)電機組運行埋下極大的安全隱患。但是，該問題很多時候都是在機組已經(jīng)安裝成型且投產(chǎn)使用一段時間后才會暴露出來，采用定子鐵芯拉緊與加打楔子處理，是一種既能滿足功能需求，同時也能最大限度控制維護費用的方法，值得推廣應用。