抽水蓄能機組磁極引線頭的防斷裂措施

張建偉 羅功富 王世建 湯 琴

東方電氣集團東方電機有限公司 四川德陽 618000

1 概述

抽水蓄能電站是電力系統(tǒng)最可靠、最經(jīng)濟、容量最大、壽命周期最長、技術(shù)最成熟的儲能裝置，抽蓄機組啟動迅速，運行靈活、可靠，可承擔(dān)電網(wǎng)的調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、事故備用及黑啟動等功能。因此抽水蓄能電站可以使電網(wǎng)總體燃料得以節(jié)約，降低電網(wǎng)成本，提高電網(wǎng)的安全和可靠性。隨著新能源的大規(guī)模開發(fā)，抽蓄機組將為破解棄風(fēng)、棄光困局，更好地消納清潔能源提供更有力的支撐。

相較于傳統(tǒng)水電機組，抽蓄機組運行工況更為復(fù)雜，尤其是機組啟動頻繁，這對機組轉(zhuǎn)動部件的可靠性提出了更高的要求。因此，在高轉(zhuǎn)速、大容量的抽蓄機組設(shè)計中，轉(zhuǎn)動部件的靜強度及疲勞壽命是需要重點關(guān)注的。在機組的發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子部分，轉(zhuǎn)子支架、磁軛、磁極等大部件的強度及疲勞壽命計算較為成熟，總能在滿足要求的范圍內(nèi)設(shè)計出合理的結(jié)構(gòu)，因而此類大部件出現(xiàn)疲勞斷裂的概率并不高。相對而言，轉(zhuǎn)子上的一些小部件，例如，阻尼繞組部分的連接片、磁極極間連接、線圈壓塊螺栓及各處的絕緣板等部件，更容易發(fā)生斷裂失效。這些小部件斷裂失效后造成的危害反而比大部件產(chǎn)生裂紋造成的危害更大，因為大部件的裂紋往往發(fā)生于局部位置，局部裂紋的產(chǎn)生短期內(nèi)不會造成結(jié)構(gòu)件的失效，但是小部件產(chǎn)生裂紋后，裂紋擴展較快，部件失效后容易脫落。機組高速運轉(zhuǎn)時脫落部件飛出，容易對定子鐵心造成碰傷、劃傷，甚至發(fā)生定子掃膛等現(xiàn)象。

在轉(zhuǎn)子部分小部件的斷裂失效問題中，磁極引線頭的斷裂較為常見。磁極引線頭產(chǎn)生裂紋或者斷裂后，一般需要更換備品磁極，原磁極則需要返廠進行修理。返廠磁極需要拆除磁極圍帶、解列線圈繞組線匝，更換磁極引線頭所在的線匝后再重新裝配磁極各部件?？梢妼τ诖艠O引線頭的修復(fù)，需要的工期較長且成本很高。因此在機組設(shè)計、生產(chǎn)制造及安裝的各個環(huán)節(jié)采取有效措施，以防止磁極引線頭在運行過程中產(chǎn)生裂紋以致斷裂失效，是設(shè)備制造廠家和電站業(yè)主方都很關(guān)心的問題。

2 磁極引線頭結(jié)構(gòu)形式及裂紋產(chǎn)生情況

抽蓄機組的所有磁極都要預(yù)留出引線頭，相鄰磁極的引線頭通過極間連接線連為一體，最后通過兩根主引出線引出，這樣所有磁極的線圈繞組組成了一個完整的電流回路。磁極引線頭一般從線圈側(cè)向或者軸向引出，根據(jù)線圈繞制方式的不同，引線頭可在線圈端部同側(cè)引出，也可在兩側(cè)引出。目前的高轉(zhuǎn)速抽蓄機組以軸向引出線為主。圖1為典型的磁極引線頭的極間連接方式，圖2為極間連接各部件的示意圖。磁極引線頭高于磁極線圈端面沿軸向引出后彎曲90°，通過U型極間連接銅排與相鄰磁極的引線頭連接，二者通過螺栓把合固定，U型極間連接銅排則通過固定在磁軛上的線夾進行固定。

圖1 磁極引線頭的極間連接方式

圖2 極間連接各主要部件

磁極引線頭產(chǎn)生裂紋的位置多數(shù)位于倒角處，裂紋通常由倒角一側(cè)產(chǎn)生，沿引線頭寬度方向向中間擴展，裂紋擴展時是基本平行于寬度方向的。圖3所示為引線頭倒角產(chǎn)生裂紋的情況，圖4和圖5分別為倒角裂紋外側(cè)及內(nèi)側(cè)的局部放大圖?？梢钥闯?，該裂紋為貫穿性裂紋，裂紋長度實測值43mm，超過了線頭寬度的1/3。裂紋繼續(xù)擴展會導(dǎo)致引線頭從倒角處完全斷開，更嚴(yán)重的是由于裂紋的存在會導(dǎo)致引線頭局部電流密度過大，倒角處局部溫度過高會使線頭熔斷(如圖6所示)。熔化物拋射、滴落會對其他部件造成更大的危害，因此引線頭裂紋一旦發(fā)生是需要立刻處理的，不允許機組帶病運行。

圖3 引線頭裂紋示意圖 (整體)

圖4 引線頭裂紋示意圖 (倒角外側(cè))

圖5 引線頭裂紋示意圖 (倒角內(nèi)側(cè))

圖6 引線頭熔斷 示意圖

3 引線頭防斷裂措施

磁極引線頭部件雖小，但是產(chǎn)生裂紋失效后造成的損失卻很大。抽蓄機組運行工況轉(zhuǎn)換頻繁、啟停機次數(shù)多是客觀需求，因此從機組開始設(shè)計直至機組投運后的各個階段，都有必要采取相應(yīng)的措施來防止引線頭產(chǎn)生裂紋以致斷裂失效，主要措施如下：

3.1 合理的成型工藝

抽蓄機組設(shè)計時，磁極引線材料多與線圈繞組取為相同的材料，以硬銅板最為常見。在生產(chǎn)制造磁極引線頭時，引線頭倒角的成型工藝對倒角處的疲勞壽命有重大影響。某額定轉(zhuǎn)速500r/min、300MW容量的抽蓄機組在投運后兩年左右的時間內(nèi)就出現(xiàn)了引線頭斷裂事故，停機檢查發(fā)現(xiàn)斷裂引線頭未按圖紙要求進行倒角，而是直接彎成90°，并且在發(fā)現(xiàn)彎型處的結(jié)構(gòu)表面存在材料褶皺隆起時，直接進行了打磨光滑處理。這種成型及表面處理方式，嚴(yán)重削弱了倒角處材料的抗疲勞強度，一是因為直接直角彎型導(dǎo)致局部殘余應(yīng)力過大，疊加機組運行時的應(yīng)力后，倒角位置應(yīng)力水平急劇上升，進而使得應(yīng)力幅值過高，因機組啟停頻繁而引起疲勞裂紋的產(chǎn)生；二是局部打磨減薄了倒角處材料的厚度，進一步加大了此處的應(yīng)力集中，根據(jù)金相檢查，也發(fā)現(xiàn)打磨后材料表面出現(xiàn)了微裂紋，機組運行時裂紋從微裂紋處開始萌生擴展，并最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)斷裂。

類似的問題同樣出現(xiàn)在某額定轉(zhuǎn)速300r/min、300MW容量的抽蓄機組中，該機組磁極引線頭彎型倒角設(shè)計值為R8mm，實際彎型倒角僅為R4mm及以下。機組引線頭斷裂后，磁極返廠維修，廠家根據(jù)事故情況改進了倒角成型模具，嚴(yán)格按照圖紙設(shè)計尺寸加工，并對成品進行表面質(zhì)量檢查，合格后產(chǎn)品才可交付。按照新工藝生產(chǎn)的引線頭進行了疲勞壽命試驗，試驗結(jié)果表明引線頭的疲勞壽命得到了大幅度提高，完全滿足機組設(shè)計使用年限的要求。

3.2 優(yōu)良的結(jié)構(gòu)設(shè)計

磁極引線部分的裝配，涉及磁軛和磁極兩大部件，磁極與磁軛一般通過直T尾結(jié)構(gòu)(或者斜T尾結(jié)構(gòu))連接。極間連接銅排固定在磁軛上，引線頭是磁極線圈的一部分，二者連接后的受力受到磁軛、磁極變形的影響。以最近的300～400MW容量之間的抽蓄機組為例，當(dāng)機組轉(zhuǎn)速為428.6r/min及500r/min時，磁軛多選用厚鋼板疊裝而成，此種磁軛整體剛性較好，有利于機組的運行穩(wěn)定性；當(dāng)機組轉(zhuǎn)速在375r/min及以下時，受限于鋼材鍛件的尺寸，磁軛已不能采用厚鋼板疊裝，而是采用傳統(tǒng)的磁軛沖片疊裝而成。這兩種磁軛形式存在整體剛度上的差異，因此對應(yīng)的極間連接銅排厚度、結(jié)構(gòu)形式，以及引線頭高度需要進行合理的選擇，即由于磁軛、磁極的結(jié)構(gòu)剛度有差異，極間連接銅排和引線頭需要進行合理的剛度匹配。如果剛度匹配不合理，則極間連接銅排或者引線頭容易出現(xiàn)局部高應(yīng)力，危及部件的使用壽命。此時需要根據(jù)具體的機組結(jié)構(gòu)形式，對極間連接裝配部分進行計算分析，以得到最優(yōu)的部件結(jié)構(gòu)形式，包括引線頭高度、極間連接是否需要進行變厚度設(shè)計、各部分的合適厚度以及厚度變化的最優(yōu)位置等，該部分計算通常由有限元軟件計算完成。

大的結(jié)構(gòu)尺寸確定后，針對引線頭倒角斷裂問題，需要對倒角半徑尺寸進行限定。總體來說，小的倒角尺寸易于加工成型，缺點是殘余應(yīng)力高，表面質(zhì)量不易控制；大的倒角尺寸過渡平緩，表面質(zhì)量也較高，但是成型精度略差。根據(jù)對多個抽蓄機組磁極引線頭的計算結(jié)果表明，當(dāng)彎型倒角尺寸不小于銅板厚度尺寸時，即可獲得比較良好的應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)?shù)菇浅叽缧∮诤穸瘸叽鐣r，倒角處應(yīng)力將隨著倒角半徑的減小而急劇增加。實際機組設(shè)計時，倒角半徑尺寸不會小于銅板厚度尺寸，因此只要嚴(yán)格按照設(shè)計尺寸加工即可保證結(jié)構(gòu)的安全性。但是為了減小殘余應(yīng)力和倒角表面質(zhì)量的影響，現(xiàn)在廠家設(shè)計倒角尺寸時，通常要求倒角半徑不小于2倍銅板厚度尺寸。

倒角半徑尺寸上限則需要根據(jù)引線頭高度來限定。引線頭高度不同，最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置也會變化，理想狀態(tài)是最大應(yīng)力出現(xiàn)在引線頭的根部或者稍靠上的直板段，不宜出現(xiàn)在倒角圓弧過渡區(qū)域以避免疊加該區(qū)域的殘余應(yīng)力。圖7和圖8為某額定轉(zhuǎn)速500r/min、350MW容量的抽蓄機組設(shè)計時，不同高度引線頭的應(yīng)力分布示意圖。圖7中引線頭最大應(yīng)力出現(xiàn)在根部，圖8中引線頭最大應(yīng)力則出現(xiàn)在倒角圓弧與引線頭直板段相接的位置，該位置為殘余應(yīng)力的影響區(qū)域，因此機組最終的引線頭高度采用了圖7中模型的高度。

當(dāng)最大應(yīng)力出現(xiàn)在引線頭根部時，即使應(yīng)力值比倒角處應(yīng)力值大，根部仍然具有較好的抗疲勞性能，這是因為引線頭根部的銅板未經(jīng)加工，不存在殘余應(yīng)力，并且該部位處于線圈的線匝疊壓邊緣，應(yīng)力過大時線圈可能出現(xiàn)開匝的情況(如圖9所示)。出現(xiàn)開匝后，引線頭根部應(yīng)力得到釋放，因此不容易出現(xiàn)裂紋，當(dāng)然線圈開匝也是需要及時處理的情況，只是其危害程度要遠小于引線頭斷裂的情況。

圖7 引線頭最大應(yīng)力位于根部

圖8 引線頭最大應(yīng)力位于倒角圓弧過渡處

圖9 線圈開匝示意圖

3.3 科學(xué)的裝配過程

機組安裝時，各大小部件有序分批裝配。對于極間連接部分的裝配，由于前期磁軛打鍵等措施有可能使磁軛、磁極產(chǎn)生較大的相對位移，因此即使部件加工精度滿足設(shè)計要求，仍然有可能在極間連接與引線頭通過螺栓連接時，引起較大的裝配應(yīng)力，該應(yīng)力甚至可能超過正常設(shè)計載荷引起的應(yīng)力，需要引起足夠的重視。消除該隱患的措施可以采用現(xiàn)場適配鉆孔的方法，即極間連接銅排與引線頭裝配前只加工一個部件的螺栓連接光孔，另外一個部件的光孔則在裝配時根據(jù)實際位置現(xiàn)場適配鉆孔。該措施不但對防止引線頭產(chǎn)生裂紋有效，對防止線圈開匝同樣有效。例如，某巨型混流式機組極間連接裝配時，因與引線頭光孔錯位，強行連接時直接將線圈拉開匝，因此后續(xù)類似的巨型機組安裝時，極間連接與引線頭光孔均為現(xiàn)場適配鉆孔。

3.4 機組定期檢修

抽蓄機組啟停機頻繁、運行工況復(fù)雜多變，因此機組定期檢修時對轉(zhuǎn)子上的大小部件應(yīng)予以重點關(guān)注。對于磁極引線頭，如果發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形較大、表面出現(xiàn)漆皮脫落等現(xiàn)象時，需要對倒角部位進行詳細檢測，發(fā)現(xiàn)微小起始裂紋時就應(yīng)及時更換備品磁極，以避免引線裂紋擴展或者斷裂給機組帶來更大的危害。

結(jié)語

根據(jù)筆者多年的抽蓄機組設(shè)計計算經(jīng)驗，結(jié)合電站運行中出現(xiàn)的問題，對磁極引線頭的防斷裂措施做了一些研究總結(jié)。在機組的設(shè)計、加工制造、安裝運行等各個環(huán)節(jié)，采取相應(yīng)的措施，可大幅提高磁極引線的疲勞壽命。隨著抽蓄電站建設(shè)步伐的加快，更高轉(zhuǎn)速、更大容量的機組，以及部分變轉(zhuǎn)速運行的機組對轉(zhuǎn)動部件的疲勞壽命有了更高的要求，機組設(shè)計難度明顯增大，本文提到的一些措施可作為機組設(shè)計時的借鑒和參考。