大型抽水蓄能機(jī)組定子繞組固定技術(shù)與狀態(tài)評(píng)價(jià)的分析

趙貴前

（國網(wǎng)新源建設(shè)公司，北京市 100053）

大型抽水蓄能機(jī)組定子繞組固定技術(shù)與狀態(tài)評(píng)價(jià)的分析

趙貴前

（國網(wǎng)新源建設(shè)公司，北京市 100053）

大型抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組固定采用了彈性固定工藝，本文總結(jié)了多種彈性固定系統(tǒng)，列舉了事故案例，分析了定子繞組固定系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)價(jià)的方法，供大型抽水蓄能發(fā)電機(jī)定子繞組固定系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)人員參考借鑒。

蓄能機(jī)組; 定子繞組; 彈性固定; 狀態(tài)評(píng)價(jià)

0 引言

大型抽水蓄能機(jī)組發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組都采用云母體系結(jié)構(gòu)絕緣，一般選用粉云母為本體，環(huán)氧樹脂做膠粘劑，無堿玻璃布作為補(bǔ)強(qiáng)材料。無論多么好的絕緣結(jié)構(gòu)，如果繞組固定不好，線棒松動(dòng)，發(fā)電電動(dòng)機(jī)的可靠性和預(yù)期壽命都得不到保證。大量事實(shí)表明，在發(fā)電電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的過程中，定子繞組線棒失效不是由絕緣的電氣問題所致，而是由絕緣受到機(jī)械損傷引起的，這種機(jī)械損傷主要是由于槽內(nèi)線棒固定松動(dòng)所致。因此，高質(zhì)量的定子繞組絕緣系統(tǒng)本身是保證發(fā)電電動(dòng)機(jī)具有良好穩(wěn)定性的重要因素，而繞組固定系統(tǒng)也是實(shí)現(xiàn)發(fā)電電動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定的重要因素。

1 大型抽水蓄能機(jī)組定子繞組固定系統(tǒng)的要求及型式

1.1 定子繞組固定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

定子繞組固定系統(tǒng)由鐵芯槽內(nèi)線棒直線段區(qū)域固定系統(tǒng)和出槽線棒端部區(qū)域固定系統(tǒng)兩部分組成。

定子繞組固定系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到的基本要求有：①在整個(gè)發(fā)電電動(dòng)機(jī)壽命期內(nèi)固定有效，不出現(xiàn)線棒松動(dòng)，甚至不用定期維護(hù)，重新楔緊；②承受正常運(yùn)行( 包括變頻和“背靠背”啟動(dòng))時(shí)的機(jī)械和電磁等所有振動(dòng)力；③承受突然短路或缺相運(yùn)行（瞬間高電流）產(chǎn)生的力；④承受至少達(dá)到定子繞組耐熱等級(jí)相應(yīng)的熱應(yīng)力；⑤適應(yīng)來自負(fù)荷循環(huán)的熱運(yùn)動(dòng)；⑥保證線棒表面到鐵芯槽壁良好的熱傳遞；⑦線棒表面與鐵芯槽壁之間具有一定的電氣接觸而保持良好導(dǎo)電性；⑧安裝時(shí)的合理機(jī)械應(yīng)力范圍下可保證線棒絕緣不受損傷；⑨避免由于振動(dòng)或熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致單根線棒固定部件移動(dòng)(例如：頂部或側(cè)面彈性波紋板、墊條、槽楔等滑動(dòng))；⑩能夠?qū)C(jī)組運(yùn)行時(shí)軸承油霧（或甩出的油）具有足夠的化學(xué)耐受性；k能夠適應(yīng)并承受地下廠房濕度和運(yùn)行中產(chǎn)生臭氧等環(huán)境不利因素影響下對(duì)其絕緣性能的需求。

1.2 定子繞組槽內(nèi)線棒直線段固定型式

目前大型抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組槽內(nèi)線棒直線段固定型式都采用了彈性固定工藝型式，不同的發(fā)電機(jī)制造廠，對(duì)于彈性固定工藝型式不盡相同，總結(jié)歸納一般不外乎如下三種：①純使用半導(dǎo)體硅膠作為填充和固定材料的定子繞組固定系統(tǒng)；②使用波紋板的定子繞組固定系統(tǒng)；③波紋板和半導(dǎo)體硅膠相結(jié)合的定子繞組固定系統(tǒng)。

1.2.1 純使用半導(dǎo)體硅膠作為填充材料的線棒固定系統(tǒng)

純使用半導(dǎo)體硅膠作為填充和固定材料的槽內(nèi)線棒固定系統(tǒng)可分為基本型和改進(jìn)型。

基本型原理是在槽底注入半導(dǎo)體硅膠，放入下層線棒，再在下層線棒窄邊注入半導(dǎo)體硅膠，放入層間墊條，再在層間墊條上注半導(dǎo)體硅膠，放入上層線棒，將特殊設(shè)計(jì)的槽楔塊放入，通過槽楔上面的注膠孔再注入半導(dǎo)體硅膠，其固定原理結(jié)構(gòu)見圖1。這種型式的固定，半導(dǎo)體硅膠和線棒固定在槽內(nèi)后，線棒表面和硅膠之間及硅膠和槽壁之間粘接牢固,能確保在整個(gè)鐵芯長度上線棒表面與槽壁具有良好的電氣接觸。但存在兩個(gè)致命缺陷，一是注入的半導(dǎo)體硅膠量不好掌握，二是上層線棒依靠槽楔下面的半導(dǎo)體硅膠彈性壓緊，達(dá)不到理想效果，往往造成上層線棒松動(dòng)。

改進(jìn)型只是針對(duì)由于受通風(fēng)槽的影響，基本型注膠量不夠而做了改進(jìn)的“連續(xù)封閉槽壁”安裝方法。這種封閉槽壁是在通風(fēng)溝里裝一個(gè)特制的U型件，這樣大大增加了注入的半導(dǎo)體硅膠量，而無阻塞通風(fēng)溝的風(fēng)險(xiǎn)，其固定原理結(jié)構(gòu)見圖2。采用這種方法，半導(dǎo)體硅膠的覆蓋率可以達(dá)到80%,但這種設(shè)計(jì)使線棒表面在通風(fēng)溝內(nèi)不會(huì)直接接觸氣流，冷卻效果稍微差些。然而由于槽楔安裝固定工藝不變，上層線棒依然存在固定不實(shí)而松動(dòng)的可能。

圖1 基本型純使用半導(dǎo)體硅膠作為填充材料的線棒固定原理結(jié)構(gòu)圖

圖2 改進(jìn)型純使用半導(dǎo)體硅膠作為填充材料的線棒固定原理結(jié)構(gòu)圖

1.2.2 使用波紋板的定子繞組固定系統(tǒng)

使用波紋板的定子繞組固定系統(tǒng)主要有兩種，一種是槽楔與上層線棒之間（頂部）使用波紋板，見圖3“使用填充材料和頂部波紋板固定線棒的結(jié)構(gòu)圖”；另一種是槽內(nèi)線棒的側(cè)面（單側(cè)）使用波紋板，同時(shí)槽楔與上層線棒（頂部）使用波紋板，見圖4“使用頂部和側(cè)面波紋板固定線棒的結(jié)構(gòu)圖”。波紋板的伸縮自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)械和熱應(yīng)力產(chǎn)生的變形，以保持線棒處在緊固狀態(tài)。槽楔下安裝波紋板保證了線棒徑向的緊固，槽側(cè)加裝波紋板防止了線棒在切向松動(dòng)，使得線棒更加穩(wěn)固。

這種固定系統(tǒng)對(duì)彈簧波紋板的材質(zhì)要求是很高的，它要求波紋板在長期受機(jī)械與熱應(yīng)力作用下保持恒久的彈性。對(duì)于油霧嚴(yán)重的機(jī)組，要考慮波紋板的材質(zhì)是否會(huì)因油的存在而失去“彈性”,油還會(huì)成為線圈和鐵芯相對(duì)運(yùn)行的潤滑劑，造成波紋板滑動(dòng)，使得波紋板本身的玻璃纖維磨損線棒。使用波紋板的定子繞組固定系統(tǒng)在國內(nèi)外大型發(fā)電機(jī)定子中多有采用，應(yīng)用的時(shí)間較長，技術(shù)相對(duì)可靠。

圖3 使用填充材料和頂部波紋板固定線棒的結(jié)構(gòu)圖

圖4 使用頂部和側(cè)面波紋板固定線棒的結(jié)構(gòu)圖

1.2.3 波紋板和半導(dǎo)體膠相結(jié)合的定子繞組固定系統(tǒng)

波紋板和半導(dǎo)體硅膠相結(jié)合的定子繞組固定系統(tǒng)吸取了純半導(dǎo)體硅膠固定系統(tǒng)和波紋板固定系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，采用了波紋板壓緊，但在保證線棒通體與槽壁電氣接觸方式上改進(jìn)了工藝，具體的做法有兩種，其一，首先將一定寬度的半導(dǎo)體紙對(duì)折，然后在對(duì)折的半導(dǎo)體紙內(nèi)利用專用設(shè)備均勻涂上具有彈性的半導(dǎo)體硅膠（或膠狀硅脂復(fù)合膠），以夾膠后的半導(dǎo)體紙作纏繞帶，均勻地纏繞在線棒直線段上（即所有與鐵芯壁接觸的部分），在膠未固化的情況下，快速放入鐵芯線槽。其二，使用專用工具，鋪好與線棒直線段長度相適應(yīng)的一定寬度的導(dǎo)體紙，然后在紙上相對(duì)線棒寬面的對(duì)應(yīng)部分均勻涂敷一定厚度的半導(dǎo)體膠，在涂好膠的包敷紙上夾好線棒，在膠未固化時(shí)放入鐵芯線槽。

波紋板和半導(dǎo)體膠相結(jié)合的定子繞組固定系統(tǒng)能有效地保證線棒在線槽內(nèi)的防暈和固定要求，線棒和鐵芯槽壁都有很好的電氣接觸，基本可以消除二者之間的間隙；由于膠固化前本身的可塑性，使得鐵芯線槽壁表面存在的機(jī)械公差得到補(bǔ)償，同時(shí)也可以有效地抵消由于鐵芯槽段不平在線棒外絕緣表面產(chǎn)生的局部機(jī)械應(yīng)力，這種固定系統(tǒng)由于采用了頂部彈性波紋板壓緊固定工藝，既保持了純半導(dǎo)體膠固定系統(tǒng)的特點(diǎn)，又彌補(bǔ)了純半導(dǎo)體膠彈性固定的缺陷，使得線棒固定相當(dāng)牢固。但安裝工藝復(fù)雜，需要特別的專用工具，容易操作不當(dāng)而返工。

1.3 線棒端部固定

目前大型汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組線棒端部固定一般采用綁扎式固定結(jié)構(gòu)、壓板式固定結(jié)構(gòu)和灌注式固定結(jié)構(gòu)。大型抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子線棒出槽后端部相對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)定子要短得多，普遍采用的是綁扎式固定結(jié)構(gòu)。端部支撐環(huán)采用非磁性金屬材料或高強(qiáng)度玻璃纖維板，在下層線棒與支撐環(huán)間墊一條較粗的玻璃纖維繩，用專用工具向繩子注入室溫固化的環(huán)氧樹脂絕緣膠，使之充滿玻璃纖維繩，膠固化后，下層線棒與支撐環(huán)密實(shí)無間隙，玻璃纖維繩與支撐環(huán)即成為剛體。在上、下層線棒之間用玻璃纖維繩綁扎固定，這種固定由于玻璃纖維繩在線棒的擠壓下，加之空間狹小，注膠量達(dá)不到要求，線棒端部固定并不理想。由此做了改進(jìn)，事先以浸了膠的絕緣材料卷成實(shí)心圓柱體適形氈綁扎在以下幾個(gè)部位，待膠固化后即成為剛體，使線棒在徑向和軸向得到加固，分別是①下層線棒與支撐環(huán)之間部位；②在支撐環(huán)對(duì)應(yīng)的上、下層線棒之間部位；③上層線棒之間部位；④下層線棒之間部位。另外，為了防止線棒出槽口切向振動(dòng)導(dǎo)致線棒松動(dòng)，在線棒出槽口加裝了槽口楔。見圖5“內(nèi)圈上層線棒端部固定示意圖”和圖6“外圈下層線棒端部固定示意圖”。定子線圈上下端部固定方法是一樣的，但下端部較上端部長一些所以固定點(diǎn)要多，而上端部增加了匯流排的安裝固定。

2 抽水蓄能機(jī)組定子繞組線棒固定系統(tǒng)失效的案例與分析

2.1 案例基本情況

某大型抽水蓄能電廠發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組線棒在鐵芯槽內(nèi)固定方式為純半導(dǎo)體硅膠彈性固定。該蓄能電廠機(jī)組抽水啟動(dòng)過程中，定子80%接地保護(hù)動(dòng)作。試驗(yàn)確定為定子上層線棒絕緣對(duì)地?fù)舸M(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)有十多根上層線棒窄邊層間側(cè)主絕緣磨損嚴(yán)重（見圖7），線棒兩側(cè)寬邊防暈層完好，半導(dǎo)體硅膠尚存，線棒窄邊槽楔側(cè)防暈層完好，半導(dǎo)體硅膠尚存，對(duì)應(yīng)下層線棒層間與上層線棒接觸面也有磨損（見圖8）。最嚴(yán)重部位全部是下端部出槽口層間直線段，而且上端部相對(duì)于下端部較輕。

圖5 內(nèi)圈上層線棒端部固定示意圖

圖6 外圈下層線棒端部固定示意圖

2.2 線棒磨損的原因

圖7 因松動(dòng)磨損擊穿的上層線

圖8 因松動(dòng)磨損的對(duì)應(yīng)下層線棒

上層線棒磨損的直接原因是固定出現(xiàn)了松動(dòng)，松動(dòng)的原因是線棒純半導(dǎo)體硅膠彈性固定設(shè)計(jì)和線圈端部綁扎固定設(shè)計(jì)存在一定問題。線棒直線段壓緊固定主要靠槽楔發(fā)揮作用，端部要靠端箍環(huán)固定，相對(duì)于下層線棒，上層線棒的固定要薄弱些，因?yàn)樗挥阼F芯槽口直線段直接受槽楔壓緊，對(duì)于純半導(dǎo)體彈性固定工藝來說，很難達(dá)到壓緊的要求，而且其端部的綁扎并沒有與下層線棒綁扎過渡到端箍環(huán)上。在多種因素綜合作用下，對(duì)于上層線棒朝向?qū)娱g的窄邊，由于硅膠量不夠，存在大量空隙，對(duì)線棒的支撐力度不足，電氣接觸也不夠，這些“少量”的硅膠不斷地受到拉伸與壓縮，隨著時(shí)間的推移積累，上層線棒層間窄邊表面防暈層不斷地被破壞，主絕緣直接與層間墊條撞擊摩擦，并在強(qiáng)烈電暈放電“推波助瀾”下，主絕緣層研磨粉化，窄邊主絕緣越來越薄。繞組上端部上下層間襯墊了間隔玻璃纖維繩，限制了上端部的上下層間徑向相對(duì)運(yùn)動(dòng)，減輕了磨損，而下端部無此結(jié)構(gòu)，所以下端部繞組承受的激振力更大些，接近下端部的直線段層間窄邊主絕緣磨損嚴(yán)重而先行擊穿。

2.3 案例總結(jié)

定子繞組固定設(shè)計(jì)和制造方面的問題極易導(dǎo)致線棒固定松動(dòng)。事實(shí)表明這種純半導(dǎo)體硅膠彈性固定，更容易導(dǎo)致上層線棒首先松動(dòng)。純半導(dǎo)體硅膠固定設(shè)計(jì)工藝不能保證槽楔發(fā)揮有效的固定作用，加之線棒端部固定設(shè)計(jì)也不理想，使得上層線棒未被緊緊的固定在線槽內(nèi)而松動(dòng)。

3 抽水蓄能機(jī)組定子繞組固定系統(tǒng)的狀態(tài)評(píng)價(jià)

線棒松動(dòng)是引發(fā)發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組失效最常見的原因，是否松動(dòng)就是對(duì)定子繞組固定系統(tǒng)的狀態(tài)評(píng)價(jià)，怎樣去評(píng)價(jià)呢？松動(dòng)會(huì)有很多外在的表現(xiàn)，要注意在運(yùn)行中的巡視，檢修中的檢查與試驗(yàn)，評(píng)價(jià)依據(jù)就在于此。 線棒松動(dòng)最初的表現(xiàn)就是槽楔或端部固定塊松動(dòng)，這些固定件的松動(dòng)可以導(dǎo)致單根線棒并逐漸引起大多數(shù)定子繞組松動(dòng)，伴隨著線棒防暈層的磨損，出現(xiàn)了電暈放電，臭氧產(chǎn)生，隨著時(shí)間延長主絕緣進(jìn)一步磨損，有粉末（或油泥）會(huì)落在線棒端部或出槽口。在發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組直流耐壓和泄漏電流測試、定子槽部線圈防暈層對(duì)地電位、起暈試驗(yàn)等發(fā)電機(jī)預(yù)防性試驗(yàn)中也會(huì)有所反應(yīng),相應(yīng)表現(xiàn)在泄漏電流增大、對(duì)地電位超標(biāo)和發(fā)生明顯電暈等。

3.1 槽楔狀態(tài)檢查

松動(dòng)的槽楔可以導(dǎo)致單根線棒并逐漸引起大多數(shù)定子繞組松動(dòng)。通過槽楔狀態(tài)檢查，可以有效評(píng)價(jià)定子繞組固定系統(tǒng)的狀態(tài)。

檢查不同槽楔的緊度是可行的，這種檢查需要發(fā)電電動(dòng)機(jī)停機(jī)，測試時(shí)至少需要移去一個(gè)轉(zhuǎn)子磁極。測試結(jié)果的分析要區(qū)分繞組固定系統(tǒng)型式，對(duì)于純半導(dǎo)體硅膠固定系統(tǒng)開展槽楔緊固程度測試沒有意義，對(duì)于帶有彈性波紋板的固定系統(tǒng)，檢查線棒緊固程度的方法是檢查槽楔的徑向張力，此方法通常需移去轉(zhuǎn)子或者至少一個(gè)磁極。測試結(jié)果的分析正確與否取決于經(jīng)驗(yàn)的多寡，因此測試必須由訓(xùn)練有素的人員執(zhí)行。為了確保所有線棒槽內(nèi)緊固有效可靠，測試必須定期進(jìn)行。

3.2 在線監(jiān)測裝置進(jìn)行分析評(píng)價(jià)

通過在線監(jiān)測裝置監(jiān)測線棒的振動(dòng)、鐵芯結(jié)構(gòu)噪聲、局部放電、臭氧等可以評(píng)價(jià)線棒的固定狀態(tài)。

定子繞組振動(dòng)測量或松動(dòng)部件的結(jié)構(gòu)噪聲監(jiān)測(安裝在定子鐵芯上的傳感器)線棒松動(dòng)也是可以實(shí)現(xiàn)的，為了監(jiān)測全部繞組，原則上應(yīng)該每個(gè)線棒上安裝一個(gè)傳感器，即便用此方法在早期也不可能監(jiān)測到每個(gè)線棒的松動(dòng)槽楔。

在線局放監(jiān)測裝置難以區(qū)分線棒絕緣本身缺陷局部放電和線棒表面電暈放電，特別是表面電暈放電的種類是線棒對(duì)線棒電暈放電還是線棒的槽放電等電暈活動(dòng)，對(duì)于運(yùn)行單位人員來說做出準(zhǔn)確的判斷太難了。

臭氧監(jiān)測線棒松動(dòng)的局限在于，僅僅能監(jiān)測到可能存在松動(dòng)，單根或某些具體線棒的損壞幾乎無法證實(shí)。

目前單一的永久在線監(jiān)測定子線棒槽內(nèi)固定狀態(tài)雖然是可行的，但早期松動(dòng)都無法實(shí)現(xiàn)檢測。

3.3 定期檢查進(jìn)行分析評(píng)價(jià)

理想地講，松動(dòng)的定子繞組在鐵芯槽內(nèi)部分和端部都可以通過仔細(xì)目測發(fā)現(xiàn)，例如可以通過由于振動(dòng)磨損產(chǎn)生的粉末（或油泥）沉積來確認(rèn)。只要維護(hù)人員達(dá)到一定專業(yè)水平，定期檢查是可以發(fā)現(xiàn)問題的。通過已經(jīng)有磨損的痕跡即使是表面上的，也可以確定絕緣系統(tǒng)由松動(dòng)磨損而被破壞。

專業(yè)的目測檢查和大量的離線預(yù)防性試驗(yàn)測試仍然是早期發(fā)現(xiàn)繞組絕緣系統(tǒng)問題的有效方法，例如線棒緊度檢查、繞組端部振動(dòng)檢測、松動(dòng)的槽楔檢查、定子繞組直流耐壓和泄漏電流測試、定子槽部線圈防暈層對(duì)地電位測量、起暈試驗(yàn)等。

3.4 紫外線攝像進(jìn)行分析評(píng)價(jià)

利用紫外線攝像開展定子繞組固定狀態(tài)評(píng)價(jià)也是很有效的方法，但必須停機(jī)拍攝。受現(xiàn)場空間限制，測試時(shí)至少需要移去一個(gè)轉(zhuǎn)子磁極。如果安全措施達(dá)不到要求，測試時(shí)則需要將定子吊出。

紫外線攝像檢測時(shí)應(yīng)分相加壓，如果紫外線攝像機(jī)沒有觀察到定子繞組表面的電暈放電，這些被測線棒固定狀態(tài)就通過了檢查。反之，則要在所有檢查出電暈的線棒上進(jìn)行黑暗試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，施加1.1倍額定交流電壓，觀察人應(yīng)在黑暗的環(huán)境下適應(yīng)15min后再進(jìn)行肉眼觀察，由于紫外線攝像機(jī)比肉眼更加靈敏，為了達(dá)到效果，應(yīng)人工目測的同時(shí)用紫外線攝像機(jī)進(jìn)行攝像。電暈起始電壓隨著溫度的上升而降低，紫外攝像試驗(yàn)或黑暗起暈試驗(yàn)，要根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境溫度適當(dāng)調(diào)整試驗(yàn)電壓，以補(bǔ)償試驗(yàn)在停機(jī)狀態(tài)溫度而不是在機(jī)組運(yùn)行工作溫度下的誤差。

4 結(jié)論

大型抽水蓄能機(jī)組定子繞組固定系統(tǒng)可靠性的基本要求是防止由于正常運(yùn)行、突然短路(瞬態(tài)高電流)、機(jī)械振動(dòng)或熱載荷應(yīng)力產(chǎn)生的機(jī)械力造成線棒絕緣損壞。良好的設(shè)計(jì)是保證定子繞組固定系統(tǒng)狀態(tài)可靠的先決條件，投運(yùn)后的狀態(tài)檢查評(píng)價(jià)為檢修維護(hù)提供決策依據(jù)。對(duì)于高轉(zhuǎn)速大型抽水蓄能機(jī)組定子繞組固定系統(tǒng)采用波紋板彈性固定或半導(dǎo)體硅膠結(jié)合波紋板固定都是很有效的設(shè)計(jì)。

趙貴前（1971—），男，高級(jí)工程師，主要研究方向：水電設(shè)備技術(shù)與物資管理。893039742@qq.com

Analysis of Stator Winding Fixation Techniques and Its Condition Evaluation for Large Pump-Storage Units

Zhao Guiqian
(State Grid Xinyuan Construction Company Limited Xicheng District, Beijing 100053, China)

Elastic wingding fixation techniques have been used in stator winding support systems for large pump-storage units. This paper sums up some form of elastic winding fi xation techniques, cites one generator accident, analysis the condition evaluation of stator winding support systems . It have certain reference value for the designer and maintainer.

pump-storage units; stator winding ; elastic fi xation;condition evaluation