650MW水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子引線結(jié)構(gòu)分析與改進(jìn)

楊 東

（國(guó)家能源集團(tuán)大渡河大崗山水電開發(fā)有限公司，四川省雅安市 625000）

0 引言

某水電站水輪發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF650-48/14500，額定容量650MW，48個(gè)磁極，定子鐵芯外徑14500mm。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子支架、轉(zhuǎn)子磁軛、轉(zhuǎn)子磁極及其他附件組成；轉(zhuǎn)子上部與上端軸連接，下部與發(fā)電機(jī)主軸連接，轉(zhuǎn)子支架下部設(shè)48塊制動(dòng)閘板；轉(zhuǎn)子磁軛由6mm厚的高強(qiáng)度沖片現(xiàn)場(chǎng)疊壓而成，并通過(guò)熱打鍵的方式使磁軛與轉(zhuǎn)子支架形成一個(gè)整體；48個(gè)轉(zhuǎn)子磁極掛裝于磁軛外側(cè)。轉(zhuǎn)子引線支撐墊鐵焊接于上磁軛壓板上，轉(zhuǎn)子引線頭間用螺栓把合，引線把合連接段用絕緣包扎，把合螺栓將轉(zhuǎn)子支架上的轉(zhuǎn)子引線與其支撐墊鐵以及其絕緣支撐墊塊把合為一體，半疊包時(shí)，先用浸環(huán)氧浸漬膠的毛氈進(jìn)行包扎段的過(guò)渡平滑，然后半疊包8層環(huán)氧桐馬玻璃粉云母帶和1層無(wú)堿玻璃絲帶，半疊包過(guò)程中，層間刷室溫固化膠。

1 故障過(guò)程

4F機(jī)組執(zhí)行停機(jī)→發(fā)電流程，機(jī)組第一次啟勵(lì)過(guò)程約10s滅磁開關(guān)發(fā)生跳閘，上位機(jī)報(bào)“4F滅磁開關(guān)跳閘”。調(diào)取故障錄波圖分析，發(fā)現(xiàn)跳閘前160ms勵(lì)磁電流發(fā)生突變至正常電流有效值的10倍左右，但該故障電流在4F機(jī)組第二次啟勵(lì)過(guò)程消失，初步判斷轉(zhuǎn)子回路存在瞬時(shí)短路現(xiàn)象。

4F機(jī)組退備后，檢修人員進(jìn)入轉(zhuǎn)子檢查，在勵(lì)磁引排通入轉(zhuǎn)子中心體金屬外壁拐角部位查見(jiàn)有一處明顯放電痕跡。

進(jìn)入轉(zhuǎn)子中心體內(nèi)部后，發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁引排正極一螺栓連接面燒損嚴(yán)重，燒損部位引線及絕緣套管整體有過(guò)熱、黑化痕跡（見(jiàn)圖1），燒損部位銅排熔化并有向勵(lì)磁引排負(fù)極噴濺的液態(tài)金屬絲痕跡（見(jiàn)圖2）。

圖1 絕緣套管過(guò)熱黑化痕跡Figure 1 Insulation bushing superheat blackening trace

2 檢查情況

由于電網(wǎng)需要，對(duì)4F勵(lì)磁引排故障部位進(jìn)行細(xì)致的打磨處理，采取連接面涂抹導(dǎo)電膏增強(qiáng)導(dǎo)電能力的方法，并在引排裸露部位加裝絕緣熱縮套以增強(qiáng)引排極間絕緣水平，恢復(fù)引線安裝，4F恢復(fù)備用。

圖2 正負(fù)極短路痕跡Figure 2 Short Circuit Traces of Positive and Negative Electrodes

同步開展所有機(jī)組轉(zhuǎn)子引排接頭部位專項(xiàng)檢查，重點(diǎn)對(duì)連接部位接觸面、絕緣套管進(jìn)行檢查，所有機(jī)組轉(zhuǎn)子引排接頭部位更換長(zhǎng)度適中的絕緣套管，引排接頭固定雙頭螺桿增加鎖固膠涂抹，進(jìn)一步加強(qiáng)螺栓止動(dòng)措施，對(duì)引排裸露部位進(jìn)行絕緣包扎處理，防止正負(fù)極間短路，在轉(zhuǎn)子引線線夾與銅排本體之間加裝浸膠的毛氈，改善震動(dòng)位移[1]。

在對(duì)3F轉(zhuǎn)子銅排進(jìn)行檢查時(shí)，銅排外觀無(wú)灼熱痕跡，用0.03mm塞尺檢查未用絕緣材料包扎過(guò)的銅排連接處，接頭均接觸良好。同時(shí)檢修試驗(yàn)人員用直流電阻測(cè)試儀（試驗(yàn)電流40A）測(cè)試滿足試驗(yàn)條件的連接頭，中心孔內(nèi)銅排靠磁極側(cè)第一個(gè)接頭直阻：正極12.5μΩ，負(fù)極3μΩ；第二、三個(gè)接頭直阻之和：正極7.5μΩ，負(fù)極10.5μΩ；轉(zhuǎn)子直流電阻103.3mΩ。

在對(duì)2F轉(zhuǎn)子銅排進(jìn)行檢查時(shí)，銅排外觀無(wú)灼熱痕跡，檢查未用絕緣材料包扎過(guò)的銅排連接處，發(fā)現(xiàn)中心孔內(nèi)轉(zhuǎn)子銅排靠磁極側(cè)第一個(gè)負(fù)極連接頭接觸面0.05mm塞尺可以塞入，深度超過(guò)70mm（見(jiàn)圖3），用扳手緊固連接螺母有點(diǎn)松動(dòng)，擰緊后塞尺依然能塞進(jìn)去。

將2F該接頭解開，測(cè)量絕緣套管長(zhǎng)59～59.5mm，絕緣套管端部有被壓痕跡，更換四根長(zhǎng)度56mm的絕緣套管，另兩個(gè)根絕緣套管未能拔出，用角磨機(jī)切除了約3mm，回裝后因接觸面不平整用0.05mm塞尺塞入深度約10mm，連接縫間涂上適量導(dǎo)電膏。用直流電阻測(cè)試儀測(cè)試滿足試驗(yàn)條件的連接頭，中心孔內(nèi)銅排靠磁極側(cè)第一個(gè)接頭直阻：正極5μΩ，負(fù)極5μΩ；第二、三個(gè)接頭直阻之和：正極10μΩ，負(fù)極8μΩ；轉(zhuǎn)子直流電阻103.1mΩ。

圖3 銅排間有明顯間隙Figure 3 Clearance between copper bars

3 故障原因分析

連接面接觸不良是造成本次故障的直接原因，4F轉(zhuǎn)子中心體內(nèi)部勵(lì)磁正極引排故障連接面接觸電阻隨機(jī)組運(yùn)行震動(dòng)而逐漸變大，導(dǎo)致金屬接觸面過(guò)熱熔化引起正負(fù)極間瞬時(shí)短路。解體勵(lì)磁引排連接面，并分別測(cè)量銅排、絕緣夾件厚度，測(cè)量絕緣套管長(zhǎng)度（見(jiàn)圖4），發(fā)現(xiàn)連接部位螺栓絕緣套管長(zhǎng)58mm，偏長(zhǎng)勵(lì)磁引排連接部位截面高度（2×15+2×13=56mm）約2mm，安裝過(guò)程螺栓緊固作用力多集中于絕緣套管端部，致使勵(lì)磁引排連接面接觸不夠充分，勵(lì)磁電流作用下引排接頭發(fā)熱嚴(yán)重。4F轉(zhuǎn)子中心體內(nèi)部勵(lì)磁引排部分靠近接頭端部位置無(wú)絕緣包扎，且正負(fù)極引排平行布置，間距較近，為正負(fù)極短路提供了環(huán)境條件。機(jī)組安裝過(guò)程，轉(zhuǎn)子引線線夾與銅排直接剛性接觸，之間未加裝浸膠毛氈減震措施，引排接頭部位雙頭螺桿未按要求采取進(jìn)行點(diǎn)焊、固定措施，易導(dǎo)致連接部位松動(dòng)產(chǎn)生發(fā)熱[2]。

圖4 勵(lì)磁銅排、絕緣夾件厚度Figure 4 Thickness of excitation copper bars and insulation clamps

4 改進(jìn)措施

4.1 改進(jìn)分析

鑒于其他機(jī)組出現(xiàn)過(guò)：轉(zhuǎn)子勵(lì)磁引線負(fù)極靠轉(zhuǎn)子中心體軟連接外側(cè)與轉(zhuǎn)角連接板處接觸面發(fā)熱現(xiàn)象嚴(yán)重，絕緣板和絕緣套碳化嚴(yán)重（見(jiàn)圖5）；上端軸內(nèi)部轉(zhuǎn)子負(fù)極引線接頭部位出現(xiàn)損壞，同時(shí)正極引線有端部放電融化、絕緣墊圈燒損及銅排側(cè)邊缺口等現(xiàn)象。

轉(zhuǎn)子引線燒損部位主要是銅薄螺母和引線接頭處。銅排引線燒損的原因一般有：銅排載流過(guò)負(fù)荷，自身發(fā)熱造成損壞；銅排連接處載流過(guò)負(fù)荷，自身發(fā)熱造成損壞；引線銅排接頭處松動(dòng)造成接觸不良，引起打火[3]。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子引線采用的銅排規(guī)格為14×90mm2，接頭處銅排規(guī)格為13×90mm2，而磁極線圈銅排規(guī)格為14×85/95mm2。引線銅排的截面積與線圈銅排的截面積相當(dāng)。因此，不存在引線銅排由于載流過(guò)負(fù)荷自身發(fā)熱造成損壞的原因。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子引線裝配中，穿軸段采用雙頭銅螺栓把合螺母連接上端軸軸壁內(nèi)、外引線方式見(jiàn)圖6。

圖5 過(guò)熱的軟連接和絕緣套接觸面Figure 5 Overheated Soft Connection and Insulation Sheath Contact Surface

圖6 轉(zhuǎn)子引線穿軸示意圖Figure 6 Drawing of Rotor Lead Through Shaft

軸內(nèi)引線與銅螺母采用鍍銀面接觸，銅螺母與銅螺栓采用螺紋接觸，接觸緊密度由兩個(gè)M36的螺母來(lái)保證。軸外引線也采用此種螺栓把合方式與銅排接觸。銅螺栓理論過(guò)流電密：3030/（2×π×182）=1.49A/mm2，銅螺母與銅排理論接觸電密為：3030/（2×π×4132）=0.73 A/mm2，理論電密控制在合適水平。一方面，轉(zhuǎn)子正極引線和負(fù)極引線總是流過(guò)同樣大小的電流，而轉(zhuǎn)子正極引線沒(méi)有出現(xiàn)接頭處銅螺母損壞現(xiàn)象，說(shuō)明接觸面的電密設(shè)計(jì)值處于合理水平。另一方面，假如接觸面的電密水平偏高，那么發(fā)熱將會(huì)持續(xù)存在，溫度將會(huì)持續(xù)上升，短時(shí)間內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)接頭處燒毀導(dǎo)致接地的故障，這與運(yùn)行情況并不相符。因此，不存在引線銅排由于連接處載流過(guò)負(fù)荷自身發(fā)熱造成損壞的原因。

接頭處螺桿、螺母材質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)、電阻率相差較大易產(chǎn)生松動(dòng)（螺桿為紫銅，其導(dǎo)熱系數(shù)386.4mk，電阻率為0.018Ω·mm2/m。螺帽為黃銅，其導(dǎo)熱系數(shù)為108.9mK，電阻率為0.071Ω·mm2/m）；結(jié)構(gòu)上沒(méi)有可靠的防松動(dòng)措施，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)受到的電磁力、機(jī)械力作用下易出現(xiàn)接頭松動(dòng)。

綜上所述，機(jī)組上端軸軸內(nèi)引線出現(xiàn)燒損的原因主要是把合螺母松動(dòng)，接觸面積減小，在過(guò)大（5000A）的勵(lì)磁電流通過(guò)時(shí)，接觸電密比設(shè)計(jì)值增加了很多，使得發(fā)熱嚴(yán)重，造成引線燒損的事故。

4.2 改進(jìn)方案

根據(jù)改進(jìn)分析，出現(xiàn)引線燒損的原因主要是螺栓松動(dòng)引起接觸不良、鍍銀接觸面實(shí)際面積減小。因此，改進(jìn)方法從兩方面進(jìn)行：①增加防松措施，消除松動(dòng)引起接觸不良的現(xiàn)象；②增大銅螺母與銅排的接觸面積，從而增加散熱面積，降低損耗，并增加安全裕度。

圖7 轉(zhuǎn)子引線穿軸結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案圖Figure 7 Improvement Scheme of Rotor Lead Thread Shaft Structure

詳細(xì)改進(jìn)方案如下：①上端軸內(nèi)側(cè)將穿軸螺栓與銅排的把合結(jié)構(gòu)更改為焊接結(jié)構(gòu)，穿軸螺栓內(nèi)側(cè)端頭由螺紋改為有凸臺(tái)的T形銅棒，其端面與內(nèi)側(cè)銅排釬焊為一體。釬焊面剛強(qiáng)度高于銅螺栓，電阻率與純銅相當(dāng)，過(guò)流電密為3030/（2×π×302）=0.54A/mm2[4]。②穿軸螺栓的材質(zhì)為純銅T2，有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐蝕和加工性能，與轉(zhuǎn)子引線的焊接質(zhì)量容易控制。螺母、薄螺母的材質(zhì)為鉻青銅或等同材料，具有較高的強(qiáng)度和硬度，導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐磨性、減磨性均較好，電阻率為0.019Ω·mm2/m（純銅T2為0.018Ω·mm2/m），導(dǎo)熱系數(shù)為334.9mK（純銅T2為386.4mK）[5]。③上端軸外側(cè)保持穿軸螺栓與銅排的把合結(jié)構(gòu)，增加雙孔止動(dòng)墊圈以鎖定薄螺母，止動(dòng)墊圈兩面鍍銀。④將銅螺母、銅薄螺母的外輪廓由M36螺母的尺寸增大至M42螺母的尺寸，使得單個(gè)銅螺母與銅排的接觸面積由1181mm2增大至2124mm2，增大約80%。銅螺母、銅薄螺母的厚度與原結(jié)構(gòu)保持一致，銅螺母兩面鍍銀。

上端軸內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)子引線在廠內(nèi)完成絕緣處理，轉(zhuǎn)子引線接頭處在電站安裝完成后整體涂聚酯晾干紅瓷漆，以增強(qiáng)在灰塵、潮濕環(huán)境下的引線接頭絕緣。采用該改進(jìn)結(jié)構(gòu)后，穿軸螺栓與軸內(nèi)引線銀焊為一體，能夠避免松動(dòng)現(xiàn)象。

轉(zhuǎn)子引線穿軸結(jié)構(gòu)改進(jìn)總體方案見(jiàn)圖7。

5 結(jié)語(yǔ)

水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子引線結(jié)構(gòu)缺陷嚴(yán)重影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，若要徹底解決，需要進(jìn)行引線換型。此次創(chuàng)新改進(jìn)，不僅保證了電站機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)為其他同型號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子引線的優(yōu)化提供了成功解決的方案與寶貴經(jīng)驗(yàn)，可以在其他機(jī)組上進(jìn)一步推廣應(yīng)用。同時(shí)，可以引入轉(zhuǎn)子引線光纖測(cè)溫等在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子引線的溫升等運(yùn)行數(shù)據(jù)，為機(jī)組狀態(tài)檢修提供技術(shù)手段和數(shù)據(jù)支撐，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)故障診斷，提高水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行可靠性。