YJ93A雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)極間連線、引出線斷裂分析及改進(jìn)

張華

上蔡神華中車新能源有限責(zé)任公司，中國(guó)·河南 駐馬店 450046

1 引言

YJ93A 型1.5M 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)是某大型電機(jī)制造商于1998年至2015 生產(chǎn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，是當(dāng)年生產(chǎn)的主機(jī)型，屬水冷型機(jī)組，質(zhì)保期5年。筆者所在公司也安裝了數(shù)百臺(tái)，在機(jī)組運(yùn)行7年左右，開(kāi)始批量出現(xiàn)故障，拆解后發(fā)現(xiàn)故障均為轉(zhuǎn)子極間連線斷裂或者轉(zhuǎn)子引出線斷裂。單臺(tái)發(fā)電機(jī)落塔維修費(fèi)用較高，由于大多數(shù)該型號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子故障均為此類故障，很有必要對(duì)極間連線斷裂及轉(zhuǎn)子引出線斷裂進(jìn)行原因分析，拿出方案及樣機(jī)，以便在塔上進(jìn)行預(yù)防性技改。

2 極間連線

該型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈為星形連接，為4 極電機(jī)，4 極均布，極間連線的作用是將同一相的兩個(gè)線圈組串聯(lián)起來(lái)，轉(zhuǎn)子有三根極間連線，每相一根，極間連線由一根銅扁線折彎而成。

在運(yùn)行中，該型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)故障幾乎全是極間連線故障，下面我們把維修中發(fā)現(xiàn)的情況描述一下。通常極間連線故障主要分為兩類：一是極間連線明顯燒斷；二是極間連線外觀絕緣結(jié)構(gòu)完好，但內(nèi)部極間連線銅排已斷裂或部分?jǐn)嗔?，斷裂部位顏色變暗，有明顯的氧化現(xiàn)象。

該問(wèn)題在該型發(fā)電機(jī)極間連線故障中不是個(gè)別現(xiàn)象，而是普遍存在，在同一個(gè)風(fēng)場(chǎng)，當(dāng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)的極間連線出現(xiàn)問(wèn)題，那其余兩根也會(huì)出現(xiàn)該問(wèn)題，相鄰機(jī)組乃至整個(gè)風(fēng)場(chǎng)機(jī)組很快都會(huì)出現(xiàn)該類型故障。由此我們可以判斷極間連線故障不是偶發(fā)問(wèn)題，而是由于設(shè)計(jì)工藝原因造成的批量質(zhì)量問(wèn)題。

2.1 原因分析

2.1.1 震動(dòng)與疲勞

極間連線是由銅扁線通過(guò)模具折彎而成，在轉(zhuǎn)子上僅以兩端與端部銅排焊接，跨度大，設(shè)計(jì)時(shí)，支撐點(diǎn)、固定點(diǎn)很少。該型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速1800rpm，在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的離心力，當(dāng)離心力過(guò)大，支撐點(diǎn)、固定點(diǎn)過(guò)少，這時(shí)極間連線中部會(huì)向外部移動(dòng)，使得極間連線折彎處受力，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷的變化中，極間連線就會(huì)出現(xiàn)頻繁的伸縮，即產(chǎn)生震動(dòng)，應(yīng)力主要集中于根部。在長(zhǎng)期的震動(dòng)下導(dǎo)致其疲勞斷裂。由于三根極間連線結(jié)構(gòu)相同，所處環(huán)境又完全一樣，因此在一根斷裂時(shí)，另外兩根也會(huì)相繼斷裂。此外，由于極間連線跨幅長(zhǎng)，固定點(diǎn)少，振動(dòng)的幅值就會(huì)比較大?？梢缘贸鼋Y(jié)論，極間連線的斷裂是由于離心力與振動(dòng)的雙重作用，使得銅排材質(zhì)發(fā)生疲勞導(dǎo)致極間連線斷裂。

2.1.2 結(jié)構(gòu)與工藝

該型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子極間連線根部圓角過(guò)小，過(guò)橋線厚度為4.9mm，折彎圓角為R6mm，圓角比較小，僅為銅排厚度的1.2倍，如圖1所示。這樣會(huì)帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題，一是折彎圓角越小，對(duì)銅材的延展率要求越高，極間連線制作時(shí)折彎圓弧外圓角容易產(chǎn)生裂紋，根據(jù)GB50149—2010，折彎圓角在銅扁線厚度的2 倍以上時(shí)效果最佳，制作時(shí)不容易產(chǎn)生裂紋。二是折彎R 角過(guò)小，振動(dòng)時(shí)應(yīng)力容易集中，產(chǎn)生疲勞斷裂。

圖1 原極間連線結(jié)構(gòu)

2.2 改進(jìn)方案

通過(guò)以上原因分析，我們制定的改進(jìn)方案主要從兩方面入手：一是從極間連線本身結(jié)構(gòu)入手，增大極間連線厚度及折彎R 角，減少應(yīng)力集中；二是增加極間連線支撐點(diǎn)，減小振動(dòng)。

可以看出改進(jìn)方案在極間連線的制作前期對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改變，明顯加大了轉(zhuǎn)彎角度，達(dá)到了R40，且在使用時(shí)，還在轉(zhuǎn)彎處加焊了銀焊料，這樣既保證了圓滑過(guò)渡，也保證了轉(zhuǎn)彎處的強(qiáng)度。在安裝時(shí)增加了多處固定與綁扎，用滌玻繩將極間連線綁在端部銅排上，綁成一個(gè)整體，最后進(jìn)行真空壓力浸漆，使其與端部一體化程度進(jìn)一步提高，如圖2所示。

圖2 改進(jìn)前后極間連線自體對(duì)比圖

此方案簡(jiǎn)便易施工，完全可以在塔上對(duì)現(xiàn)有該機(jī)型發(fā)電機(jī)進(jìn)行批量技改[1]。

3 轉(zhuǎn)子引出線

3.1 故障現(xiàn)象

發(fā)電機(jī)引出線為三根硅橡膠電纜線，連到轉(zhuǎn)子線圈上。電纜線從軸孔伸出來(lái)后，用絕緣壓塊壓緊。引出線故障主要在兩個(gè)部位：一是電纜從絕緣壓塊出來(lái)交界的地方受離心力剪切斷裂；二是軸孔里面。三根電纜橡膠外皮在軸孔里斜孔處磨破接地。

3.2 原因分析

3.2.1 第一種故障原因

目前93A 型發(fā)電機(jī)有兩種接線方式，其一為鐵圈壓板式，其二為層壓板壓柱式。這兩種方式，第一種為早期產(chǎn)品，在軸上熱套錐形電纜架，并用線夾固定電纜線；第二種為絕緣線夾，明顯所夾持電纜長(zhǎng)度有限。第二種方式雖然比較好，但需要在塔上技改過(guò)程中在軸上鉆6個(gè)螺紋孔用來(lái)安裝線夾，由于軸料是經(jīng)過(guò)熱處理的，因此加工難度較大。這就需要我們找出一種便捷有效的技改方案。

此外，出現(xiàn)故障的大部分是第一種結(jié)構(gòu)，引線端與鐵圈壓板距離較長(zhǎng)，且鐵圈與壓板均為鐵制品，引線端與鐵圈壓板距離較長(zhǎng)，在長(zhǎng)期的震動(dòng)中，往往會(huì)發(fā)生銅排與電纜延展與扭曲，產(chǎn)生震蕩空間，導(dǎo)致壓板根部電纜斷裂，或由于摩擦導(dǎo)致電纜絕緣破裂以至于發(fā)生轉(zhuǎn)子接地，究其原因主要為產(chǎn)生震蕩空間。

根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備情況，引出線端部銅排已倒伏，致使電纜處絕緣破裂導(dǎo)致對(duì)地?fù)舸?。說(shuō)明由于轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)的變速、震動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致銅排與電纜受力變形、震顫，最終導(dǎo)致絕緣破裂和電纜及引線頭疲勞老化斷裂，繼而發(fā)生事故。

3.2.2 第二種故障原因

第二種故障表現(xiàn)在電纜出斜口處，引出線在軸孔內(nèi)絕緣外皮磨破接地。轉(zhuǎn)子引出線在軸孔內(nèi)裝有固定支架，從斜孔引出來(lái)，由于電纜與軸孔存在空隙，發(fā)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)電纜在離心力作用下甩出，與斜孔拐角處不斷摩擦，橡膠外皮磨損接地，如圖3所示。

圖3 橡膠外皮磨損

目前市場(chǎng)上出現(xiàn)斷裂與接地的引出線這兩種原因都有，但主要是第一種。

針對(duì)以上原因分析，我們制定了相應(yīng)的技術(shù)措施。

3.3 方案措施

針對(duì)第一種故障，我們采取了以下措施，防止端部銅排與電纜震動(dòng)。通過(guò)輕型角鋼利用原結(jié)構(gòu)上的緊固結(jié)構(gòu)完成了對(duì)電纜及引出線銅排的固定。為了更好地保證長(zhǎng)期運(yùn)行中電氣部分的穩(wěn)定，防止震動(dòng)中角鋼與絕緣結(jié)構(gòu)的摩擦。在實(shí)施過(guò)程中，在角鋼與電纜結(jié)構(gòu)間加入了NOMEX 紙與適型氈，其中NOMEX 紙?zhí)岣吡穗姎庑阅埽贿m型氈填充空間起到了防震作用，最后刷環(huán)氧膠，增強(qiáng)其整體性[2]。

針對(duì)第二種故障，我們?cè)谛笨谔幵黾恿斯枘z封口與軸內(nèi)孔灌膠，使電纜與軸成為一個(gè)整體，從而避免了電纜震動(dòng)與軸的摩擦，也就對(duì)電纜起到了保護(hù)作用。

在加注灌封膠時(shí)，將軸頭孔堵死，將朝下的兩個(gè)電纜斜出口也用硅膠封死后，在最上端電纜斜口處將液體灌封膠注入，待固化后電纜與軸體將成為一個(gè)整體。

通過(guò)以上的方案實(shí)施，我們成功解決了該型發(fā)電機(jī)引出線批量故障的問(wèn)題，對(duì)未發(fā)生故障的機(jī)組采取了預(yù)防性的技改，避免了批量下塔維修，產(chǎn)生了較好經(jīng)濟(jì)效益。

3.4 預(yù)防措施

通過(guò)以上的方案實(shí)施，我們成功解決了該型發(fā)電機(jī)引出線批量故障的問(wèn)題，但對(duì)未發(fā)生故障的機(jī)組采取預(yù)防性的技改畢竟是要產(chǎn)生較大的維護(hù)費(fèi)用，因此為了保證在預(yù)防性技改前設(shè)備的安全運(yùn)行，我們可以采取以下措施減緩故障的發(fā)生，相對(duì)延長(zhǎng)其使用壽命。

①對(duì)震動(dòng)較大的機(jī)組實(shí)行深度維檢，打開(kāi)發(fā)電機(jī)端蓋檢查引出線及極間連線是否有斷前跡象，如發(fā)現(xiàn)極間連線有裂紋或引出線銅排變形嚴(yán)重者，可在塔上進(jìn)行技改，防止事態(tài)擴(kuò)大。

②對(duì)于振動(dòng)大的發(fā)電機(jī)機(jī)組排除震動(dòng)因素，諸如軸承磨損、電蝕，對(duì)中等問(wèn)題。

③日常維護(hù)需加強(qiáng)對(duì)軸承缺油的追責(zé)以及加強(qiáng)對(duì)軸承溫度的監(jiān)控[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比分析、工藝改進(jìn)及相應(yīng)計(jì)算，可以得知轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，銅導(dǎo)線受到的離心力非常大，在銅導(dǎo)線內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中，如果不采取消除離心力帶來(lái)的應(yīng)力集中，時(shí)間一長(zhǎng)銅導(dǎo)線就會(huì)疲勞斷裂。無(wú)論是銅扁線還是電纜線，折彎的地方容易斷裂失效。所以，今后的發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)和工藝中，要充分考慮到離心力造成的應(yīng)力集中，對(duì)發(fā)電機(jī)軟體結(jié)構(gòu)造成的損害。截至論文發(fā)表前，此技改已在該型發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)中進(jìn)行了應(yīng)用，得到了好的驗(yàn)證。