抽水蓄能機(jī)組發(fā)電電動(dòng)機(jī)磁極線圈位移的分析與監(jiān)造

趙貴前，郝國文

（1.國網(wǎng)新源建設(shè)公司，北京市 100053；2.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761）

0 引言

抽水蓄能機(jī)組發(fā)電電動(dòng)機(jī)磁極線圈多是由扁銅排做成的矩形線圈，采用四角焊結(jié)構(gòu)，匝間敷設(shè)專用的絕緣，在一定壓力下加熱后使磁極線圈黏結(jié)在一起（一般都帶有散熱匝），套在磁極鐵芯上，所有線圈都串聯(lián)在一起，接到勵(lì)磁裝置。磁極線圈對地絕緣通常由極身絕緣、托板絕緣（含磁極內(nèi)托板、磁極外托板）構(gòu)成。總的來說，抽水蓄能機(jī)組磁極是一種在高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的磁極懸掛結(jié)構(gòu)，其磁級線圈承受著巨大的離心機(jī)械應(yīng)力、熱負(fù)荷應(yīng)力和電磁負(fù)荷應(yīng)力，時(shí)刻存在著出現(xiàn)磁極線圈位移的可能，為此，就抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)磁極線圈運(yùn)行中出現(xiàn)過的位移故障進(jìn)行分析并用來指導(dǎo)現(xiàn)有在建機(jī)組監(jiān)造，很有意義。

1 在運(yùn)抽水蓄能機(jī)組出現(xiàn)過的發(fā)電電動(dòng)機(jī)磁極線圈位移故障

某在運(yùn)抽水蓄能機(jī)組，發(fā)生了一起典型發(fā)電電動(dòng)機(jī)磁極線圈位移故障，磁極線圈第一匝（靠近極靴處）下端短邊銅排（圓弧段）軸向向上產(chǎn)生位移，位移伸出內(nèi)表面的短邊銅排將磁極極身絕緣破壞，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地。故障情況如圖1所示，其中I、II、III號銅排為保持整個(gè)線圈上表面平齊的填充銅排。出現(xiàn)接地的磁極線圈是其I、II號銅排沿圖示紅色線條示意向磁極中心線位移，錯(cuò)位后填充磁極線圈和磁極鐵芯之間間隙，最終破壞極身絕緣。

圖1 磁極線圈位移示意圖Figure 1 Schematic diagram of magnetic pole coil displacement

2 磁極線圈位移的分析

2.1 離心力的分析

立式發(fā)電電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，磁極線圈產(chǎn)生離心力F，這個(gè)力可分解為兩個(gè)互相垂直的分力Fd和Fq，F(xiàn)d施加在磁極鐵芯的極靴，F(xiàn)q施加在線圈本身，以矩形磁極為例，受力情況見圖2。

發(fā)電電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與極對數(shù)成反比，當(dāng)極對數(shù)少時(shí)，轉(zhuǎn)速就高，離心力F也就大，特別是當(dāng)機(jī)組飛逸時(shí)轉(zhuǎn)速很高，磁極線圈產(chǎn)生的離心力F也會(huì)很大[5]，有可能致使組成磁極線圈的銅母線沿側(cè)向產(chǎn)生有害變形位移。以最嚴(yán)重的飛逸狀態(tài)計(jì)算此時(shí)磁極線圈的受力情況如圖2所示，F(xiàn)= 9.8AjGjRj，式中Aj為飛逸轉(zhuǎn)速時(shí)的離心力系數(shù)，Gj為極靴下的線圈重量，Rj為磁極重心半徑，角α為勵(lì)磁線圈外框重心與磁極重心間夾角。線圈位于磁極沖片兩側(cè)，在離心力F的作用下，側(cè)向分力為Fq=F×sinα，這個(gè)側(cè)向分力會(huì)使磁極線圈長邊發(fā)生拉伸變形，短邊則被彎曲。為了防止勵(lì)磁線圈因離心力而發(fā)生位移變形，目前主要采取兩種方法，一種是在磁極線圈側(cè)面加幾道圍帶限制線圈產(chǎn)生變形位移；另一種是把磁極線圈外框做成形似圓環(huán)的一部分，使其圓心選在發(fā)電機(jī)的軸線上，做成塔形向心磁極線圈[2]，目的是讓Fq=0，即磁極線圈在運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的離心力在側(cè)向的分力等于零，線圈的離心力F方向垂直于極靴底面，平行于極身側(cè)面，使得銅母線在側(cè)向不受到力的作用。理論上講塔形向心磁極線圈在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生側(cè)向力，銅排、絕緣、托板之間也無側(cè)向滑動(dòng)，不會(huì)對線圈產(chǎn)生損壞。塔形向心磁極線圈制造上較復(fù)雜，磁極線圈理論上不存在側(cè)向分力，只是由于線圈制造或磁極安裝偏差，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)線圈微弱受側(cè)向分力。

圖2 磁極線圈離心力示意圖Figure 2 Schematic diagram of centrifugal force of magnetic pole coil

上述在運(yùn)抽水蓄能機(jī)組勵(lì)磁線故障線圈，采用的是塔形向心型磁極線圈，并且有側(cè)向圍帶，離心力的影響得到了消除，而故障部位是勵(lì)磁線圈短邊銅排向里位移將磁極主絕緣割破的，顯然發(fā)生的故障不會(huì)是由于離心力導(dǎo)致。

2.2 電磁力的分析

由于定子和轉(zhuǎn)子之間氣隙不可能達(dá)到理想的均勻，所以，發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)除受到主要的切向電磁力外，還要有一點(diǎn)徑向和軸向電磁力，但這些力主要分布在磁極表面，相關(guān)計(jì)算比較復(fù)雜，限于篇幅，這里不再進(jìn)行計(jì)算，具體到勵(lì)磁線圈受力不會(huì)存在個(gè)別線匝的明顯差異，下端部每匝線圈軸向向上的電磁力非常小，不會(huì)造成磁極線圈的位移，另外上述在運(yùn)抽水蓄能機(jī)組勵(lì)磁線圈故障匝銅排僅為填充作用，不載流，因此可以排除此次銅排位移問題由磁極線圈受的電磁力引起。

2.3 熱應(yīng)力的分析

正常運(yùn)行（線圈熱態(tài)）時(shí)，整個(gè)磁極線圈在額定工況下受熱膨脹，磁極線圈下端部其主要熱變形方向是軸向向下。首匝線圈I號銅排（軸向長邊銅排）徑向方向受到其余匝離心力F（這個(gè)力是垂直壓向極靴）作用，使得首匝的I號銅排與絕緣托板存有摩擦力f，其中銅排所受的摩擦力為軸向向上。因磁極線圈絕緣托板與銅排接觸面敷設(shè)有減小摩擦力的滑移層，故該軸向向上的摩擦力較小，正常情況下該摩擦力不會(huì)阻礙磁極線圈自由熱膨脹。

冷態(tài)停機(jī)時(shí)，首匝線圈I號銅排不再受到其余匝離心力F（這個(gè)力是垂直壓向極靴）作用，相對絕緣托板之間的摩擦力f近似為零。整個(gè)磁極線圈將恢復(fù)原狀態(tài)，此時(shí)Ⅰ號銅排將會(huì)隨著其他匝銅排一起軸向向上位移復(fù)位。

從上面熱負(fù)荷應(yīng)力分析可以看出絕緣托板上的滑移層很重要，絕緣托板涂刷工藝不到位（如攪拌不均勻、涂刷次數(shù)不夠等）或絕緣托板打磨過量，都將會(huì)增大磁極線圈與絕緣托板之間的摩擦力f增大，從而阻礙磁極線圈自由熱膨脹，對于該處磁極線圈，在熱態(tài)時(shí)由于與絕緣托板之間較大摩擦力的抑制，Ⅰ號銅排相對于其他銅排位移較少，而冷態(tài)停機(jī)時(shí)該匝銅排因黏接力跟隨其他銅排一起上移。多次冷熱態(tài)交替后，Ⅰ號銅排將沿軸向向上產(chǎn)生較大位移，由于Ⅱ號銅排（圓弧短邊）與Ⅰ號銅排焊接為一體，相應(yīng)的逐次帶動(dòng)Ⅱ號銅排軸向向上位移，多次積累后，位移部分填充這個(gè)極身絕緣與銅排內(nèi)表面間隙，最終破壞絕緣，導(dǎo)致線圈接地。

由此，離心力和電磁拉力對絕緣托板應(yīng)力值影響較大，而對于磁極線圈及其他構(gòu)件的影響較小[3]，熱應(yīng)力始終是磁極線圈最主要的影響因素。磁極線圈溫度較高，相對于極靴表面的鐵損，磁極線圈所產(chǎn)生的銅損對溫升影響較大，一旦絕緣托板上的滑移層不合格，就出現(xiàn)了銅排相對位移，所以，熱應(yīng)力的影響在整個(gè)磁極線圈的應(yīng)力值中是主要的。

3 在監(jiān)造中采取的措施

設(shè)備監(jiān)造的最終目的是為了設(shè)備運(yùn)行可靠有質(zhì)量上的保證，總結(jié)設(shè)備運(yùn)行中出現(xiàn)過的故障，才能不斷提高監(jiān)造的水平。通過在運(yùn)抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行過程中磁極線圈位移問題的分析，明確了磁極線圈位移的主要原因是熱應(yīng)力的影響，絕緣托板與磁極線圈銅排之間接觸面的摩擦系數(shù)對填充匝銅排的位移是外因，在方案設(shè)計(jì)和制造過程控制時(shí)應(yīng)保持其數(shù)值在一定安全范圍內(nèi)[4]。為此，檢查同類型機(jī)組設(shè)備的監(jiān)造，在其他項(xiàng)目單位發(fā)電電動(dòng)機(jī)磁極線圈的監(jiān)造中，及時(shí)與制造廠和相關(guān)設(shè)計(jì)院進(jìn)行討論，在確認(rèn)設(shè)備材質(zhì)和設(shè)計(jì)沒有問題的情況下，進(jìn)一步確認(rèn)了制造中改進(jìn)的工藝措施，加強(qiáng)對磁極整個(gè)裝配過程進(jìn)行監(jiān)控，增加見證點(diǎn)，除了對線圈制造過程控制外，還進(jìn)一步加強(qiáng)對裝配過程的控制記錄。新增見證點(diǎn)如下：①在線圈首匝、末匝、中間匝各設(shè)置溫度測量點(diǎn)，優(yōu)化線圈制造模具結(jié)構(gòu)，減少首末匝線圈溫差，保證線圈各部位溫度滿足要求；②在線圈熱壓時(shí)，在油壓機(jī)上測量線圈高度，施加壓力按圖紙要求控制，保證熱壓到位，壓力和時(shí)間滿足工藝規(guī)范要求[1]；③絕緣托板與磁極線圈接觸面采用敷設(shè)滑移層結(jié)構(gòu)，滑移層薄膜與絕緣托板熱壓為整體；④利用高強(qiáng)度層壓板配合毛氈將磁極鐵芯極身端面最寬處與線圈之間的間隙塞實(shí)，以進(jìn)一步確保銅排不會(huì)移動(dòng)甚至磨損絕緣。

4 結(jié)束語

在運(yùn)抽水蓄能機(jī)組磁極設(shè)備除了發(fā)生過磁極線圈位移故障外，還發(fā)生過磁極引線故障、磁極線圈支撐故障，這些故障給相關(guān)運(yùn)行單位造成了一定的損失，所以，監(jiān)造工程師應(yīng)關(guān)注在運(yùn)抽水蓄能機(jī)組設(shè)備運(yùn)行中出現(xiàn)的故障，并加以分析，將抽水蓄能機(jī)組技術(shù)監(jiān)督管理中的設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督要求落實(shí)到設(shè)備制造的監(jiān)造過程中，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行技術(shù)與設(shè)備監(jiān)造動(dòng)態(tài)結(jié)合，真正將問題消滅在設(shè)備制造階段，是監(jiān)造發(fā)揮質(zhì)量監(jiān)督的有效手段之一。