抽水蓄能電站發(fā)電機定子穿心螺桿絕緣研究

宋 軒，鄭 越，李坤鵬

（河南國網(wǎng)寶泉抽水蓄能有限公司，河南 新鄉(xiāng)453636）

1 引言

發(fā)電機定子穿心螺桿主要是用來固定定子鐵心的，由于水輪發(fā)電機組正常運行時定子穿心螺桿處于交變的磁場中，會產(chǎn)生一定的感應(yīng)電壓，定子鐵心、機座及定位筋等部件屬于接地設(shè)備，如果絕緣損壞，將會形成導(dǎo)通回路，在螺桿感應(yīng)電壓下形成環(huán)流造成螺桿、鐵心等部件絕緣的損壞、部件過熱甚至燒損[1-2]，從而造成發(fā)電機事故。

本文根據(jù)寶泉電站在進行發(fā)電機開路試驗時出現(xiàn)的定子鐵心燒損現(xiàn)象，對定子穿心螺桿絕緣結(jié)構(gòu)進行分析研究，并對其進行優(yōu)化處理，避免事故再次發(fā)生，為本電站穩(wěn)定運行提供保障，同時為其他電站和設(shè)計單位對定子穿心螺桿絕緣的設(shè)計和選擇具有一定的參考價值。

2 存在的問題

該電站發(fā)電機組在進行開路試驗過程中，當(dāng)定子電壓升至1.25倍額定電壓時，發(fā)電機風(fēng)洞內(nèi)部發(fā)出異味，同時有火星從發(fā)電機內(nèi)部并經(jīng)過空氣冷卻器通風(fēng)溝噴出，立即停機，此時監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視到發(fā)電機定子鐵心溫度測點一處顯示116 ℃（未達到報警和跳機值）。經(jīng)檢查，該電站4號機組出現(xiàn)定子鐵心燒損現(xiàn)象，有19根穿心螺桿接地。

該機組定子穿心螺桿共計57根，均勻分布一周。其中正上游為1號螺桿，按瞬時針方向依次進行編號。燒損螺桿為32號，定子穿心螺桿分布圖如圖1所示。

圖1 定子穿心螺桿分布圖

在機組停機穩(wěn)態(tài)并進行隔離后對定子鐵心及穿心螺桿進行檢查，主要發(fā)現(xiàn)以下問題：

（1）定子疊片定位筋與定子疊片之間存在放電現(xiàn)象。

（2）定子疊片與定子疊片齒壓板之間存在放電現(xiàn)象。

（3）定子穿心螺桿與絕緣襯套接觸面存在銹跡。

（4）定子端部絕緣套管已熔斷。

（5）定子鐵心32號螺桿已燒損并熔斷，其他部分螺桿存在放電現(xiàn)象。如圖2所示。

圖2 已熔斷的32號螺桿及表面存在的放電痕跡

為保證機組安全運行，本文針對發(fā)電機開路試驗時出現(xiàn)的定子鐵心燒損現(xiàn)象進行研究分析。

3 故障分析

3.1 定子鐵心及穿心螺桿絕緣結(jié)構(gòu)組成

定子鐵心由帶有9個齒的硅鋼片疊壓而成。每個圓周共19張硅鋼片，相互疊壓，鐵心下部放置在與定子機座底部焊接在一起的下環(huán)板上，逐層疊至頂部，外圓與定位筋進行配套安裝，頂部安裝有齒壓板，最終由57根穿心螺桿按照設(shè)計力矩進行緊固。定子普通硅鋼片厚度均為0.35 mm，通風(fēng)溝槽片由5 mm高的T型鍵和0.5 mm厚的硅鋼片焊接而成。

每根定子穿心螺桿絕緣結(jié)構(gòu)主要包括：上下端部絕緣墊圈、上下端部絕緣套管及中間部位的絕緣襯套組成。其中絕緣墊圈上下各1個，絕緣套管上下各1個，中間部位絕緣襯套16個。具體結(jié)構(gòu)如圖3、圖 4所示。

圖3 定子穿心螺桿頂部結(jié)構(gòu)圖

3.2 定子鐵心及穿心螺桿絕緣結(jié)構(gòu)分析

該電站定子鐵心及螺桿絕緣結(jié)構(gòu)在最初設(shè)計中，穿心螺桿絕緣結(jié)構(gòu)是分段式的，在中間部位絕緣襯套的頂部2層通風(fēng)溝之間形成一段“盲區(qū)”，即穿心螺桿、絕緣襯套及定子鐵心之間形成的區(qū)域，這個區(qū)域在機組安裝或后期運行過程中都會積累雜質(zhì)。矩形標(biāo)注處即為“盲區(qū)”，如圖5所示。

圖4 定子穿心螺桿底部結(jié)構(gòu)圖

圖5 定子鐵心及穿心螺桿絕緣結(jié)構(gòu)存在的“盲區(qū)”

該電站定子鐵心的穿心螺桿設(shè)計為分段結(jié)構(gòu)存在“盲區(qū)”，從而導(dǎo)致風(fēng)洞內(nèi)的金屬粉塵通過定子鐵心通風(fēng)溝進入穿心螺桿周圍的間隙，造成穿心螺桿與鐵心存在多點短路。穿心螺桿上的感應(yīng)電壓因短路而產(chǎn)生巨大的短路電流，并形成放電弧光，因而最終燒壞穿心螺桿與鐵心。

3.3 定子鐵心穿心螺桿運行時感應(yīng)電壓的計算

（1）計算前提條件：假設(shè)當(dāng)定子鐵心穿心螺桿上2點接地故障被認為位于螺桿的各末端上，此時感應(yīng)電壓最大。

（2）假定螺桿的徑向位置處在楔槽的底部，該螺桿感應(yīng)電壓與槽內(nèi)定子繞組的單根線棒中感應(yīng)電壓值等同。該穿心螺桿或定子線棒的電壓是由以下公式計算[3]：

其中，U：定子的額定電壓；U=18 000 V

Z：每個并聯(lián)回路和每一相的串聯(lián)的線棒數(shù)；Z=38

kb：繞組因數(shù)； kb=0.926

計算結(jié)果：Ubar=295 V

但是，對于該機組定子穿心螺桿實際位置位于距離定子鐵心后部232 mm（hb）的鐵心磁軛內(nèi)部。從楔槽的底部到外部定位筋的槽的高度大約410 mm（h）j，假定電壓與到楔槽底部的距離成反比例，那么實際螺桿感應(yīng)電壓將為：

定子鐵心及螺桿燒損后57根螺桿絕緣電阻測量，測量數(shù)值如表1所示。

由以上計算可知，電阻值較小，在感應(yīng)電壓作用下形成較大循環(huán)電流，導(dǎo)致螺桿及鐵心燒損。

3.4 定子穿心螺桿絕緣襯套檢測分析

為找出該電站4號機螺桿存在銹跡原因及便于最終事故分析，對存在銹跡的絕緣襯套任意選取2個送到制造廠實驗室進行化學(xué)成分分析。

3.4.1 電氣性能試驗

根據(jù)CEI60093及相關(guān)試驗標(biāo)準(zhǔn)對該樣品進行電阻率測量。

絕緣襯套電阻測量結(jié)果如表2所示。

3.4.2 化學(xué)分析

化學(xué)分析采用2種方法進行。第1種方法是紅外光譜法，用于測量環(huán)氧樹脂襯套的基本化學(xué)組成成分；第2種方法是熱量測定和熱重分析法，在基本化學(xué)組成成分分析的基礎(chǔ)上獲取更多的相關(guān)信息。

通過進行化學(xué)成分分析，得出如下結(jié)論：絕緣襯套中含有玻璃纖維和酚醛樹脂，金屬含量較大約0.6%，尤其含鐵、鋁成分多，影響絕緣襯套的絕緣性能。

研究結(jié)果表明：該電站定子穿心螺桿絕緣襯套含金屬成分略大導(dǎo)致其絕緣性能降低，加之電站定子鐵心及螺桿絕緣結(jié)構(gòu)采用分段式，在中間部位絕緣襯套的頂部2層通風(fēng)溝之間形成一段“盲區(qū)”，導(dǎo)致風(fēng)洞內(nèi)的金屬粉塵通過定子鐵心通風(fēng)溝進入穿心螺桿周圍的間隙，造成穿心螺桿與鐵心存在多點短路。絕緣破損后，穿心螺桿上的感應(yīng)電壓因短路將產(chǎn)生巨大的短路電流，電流數(shù)量級大致在千安級別，并形成放電弧光，因而最終燒壞穿心螺桿與鐵心。

針對4號機定子鐵心及穿心螺桿燒損的故障分析原因，從有效解決“盲區(qū)”方面進行研究。此次絕緣結(jié)構(gòu)改進從以下幾方面進行嚴格控制：

（1）更換全部定子穿心螺桿，并將定子穿心螺桿表面涂刷2次絕緣漆，測量其絕緣電阻不低于1GΩ；

（2）更換原有的絕緣襯套，將襯套的上部進行延伸與上一層通風(fēng)溝底部平齊，以有效消除“盲區(qū)”，新的絕緣襯套結(jié)構(gòu)如圖6、圖7所示。

圖6 新絕緣襯套后結(jié)構(gòu)圖

圖7 新絕緣襯套尺寸圖

（3）對新的絕緣襯套進行嚴格質(zhì)量控制，確保其金屬成分滿足技術(shù)要求，以提升其絕緣性能。

該電站4號機定子穿心螺桿絕緣結(jié)構(gòu)改進后，對4號機定子鐵心絕緣電阻值進行測量，結(jié)果表明，測量的螺桿絕緣電阻滿足設(shè)計要求。

將以上改進措施用于電站其他機組，在近3年的運行中，從未出現(xiàn)過螺桿接地現(xiàn)象，也從未開展定期鐵心及螺桿吹掃工作。綜上所述，對該電站4號機定子穿心螺桿絕緣結(jié)構(gòu)的改進效果良好，其改進措施也適用于其他相似機組。

4 結(jié)論

根據(jù)寶泉電站在進行發(fā)電機開路試驗時出現(xiàn)的定子鐵心燒損現(xiàn)象，本文對穿心螺桿絕緣結(jié)構(gòu)進行研究分析，研究發(fā)現(xiàn)：分段式絕緣結(jié)構(gòu)存在“盲區(qū)”；穿心螺桿絕緣襯套金屬成分略大，導(dǎo)致回路電阻小，最終形成較大循環(huán)電流因而燒損螺桿及鐵心。本文根據(jù)研究結(jié)果對定子穿心螺桿絕緣結(jié)構(gòu)進行改進以消除“盲區(qū)”，對定子穿心螺桿進行更換，并在改進后對其電阻值進行測量，滿足設(shè)計要求，改進效果良好，有效解決了4號機定子穿心螺桿絕緣降低現(xiàn)象，為電站后期穩(wěn)定運行提供保障，同時也為其他電站和設(shè)計單位解決相似問題提供依據(jù)。