周紹鴻，張　俊

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙 410004）

抽水蓄能發(fā)電機(jī)定子槽楔松動(dòng)原因分析及處理

周紹鴻，張俊

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙 410004）

摘要：詳細(xì)介紹了黑麋峰抽水蓄能電廠3號(hào)、4號(hào)發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子槽楔松動(dòng)情況，深入分析了可逆式電動(dòng)/發(fā)電機(jī)槽楔松動(dòng)原因，針對定子端部槽楔固定方式、方法進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，為大容量水力發(fā)電機(jī)定子槽楔松動(dòng)處理提供參考。

關(guān)鍵詞：發(fā)電/電動(dòng)機(jī)；定子槽楔；松動(dòng)原因；技術(shù)改進(jìn)

1　前言

黑麋峰抽水蓄能電站裝機(jī)4臺(tái)可逆式水輪/水泵式發(fā)電機(jī)組，單臺(tái)發(fā)電/電動(dòng)機(jī)額定容量300/320MW（發(fā)電/電動(dòng)工況），定子線圈為雙層疊繞式，共600根，線槽300槽，定子槽楔安裝結(jié)構(gòu)采用帶波紋彈簧墊條的彈性槽楔緊固系統(tǒng)以及在槽楔端部加適型氈的輔助固定方式。2010年4臺(tái)機(jī)全部投運(yùn)，運(yùn)行近1年后，發(fā)電機(jī)風(fēng)洞常規(guī)檢查即開始發(fā)現(xiàn)3號(hào)和4號(hào)機(jī)上、下端部部分槽楔有竄動(dòng)現(xiàn)象，竄位痕跡明顯（如表1），1號(hào)和2號(hào)機(jī)上、下端部槽楔未見竄動(dòng)異常。對出現(xiàn)端部槽楔竄動(dòng)異常的線槽做位置標(biāo)定、竄量標(biāo)記，增加檢查頻率，逐次比較竄量，竄量呈逐漸變大趨勢發(fā)展，最嚴(yán)重部位已經(jīng)頂開適型氈，嚴(yán)重影響到定子線圈及發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。2013年12月對3號(hào)、4號(hào)機(jī)進(jìn)行定子槽楔松動(dòng)情況檢查及處理專項(xiàng)檢修。

表1　

2　定子槽楔松動(dòng)情況

吊出發(fā)電機(jī)所有磁極（20個(gè)），進(jìn)入定子膛內(nèi)全面檢查。3號(hào)機(jī)上端部槽楔有竄動(dòng)現(xiàn)象的共258槽，中間槽楔有竄縫現(xiàn)象的共102處，下端部槽楔有竄動(dòng)現(xiàn)象的共216槽；4號(hào)機(jī)上端部槽楔有竄動(dòng)現(xiàn)象的共229槽，中間槽楔有竄縫現(xiàn)象的共71處，下端部槽楔有竄動(dòng)現(xiàn)象的共179槽，竄動(dòng)量最大處達(dá)到43mm，2臺(tái)機(jī)上、下端部槽楔竄動(dòng)普遍，中間槽楔竄動(dòng)情況無規(guī)律。

3　定子槽楔松動(dòng)原因分析

定子線圈在線槽內(nèi)由槽楔緊固系統(tǒng)作為線圈的徑向固定，槽楔安裝的松緊直接關(guān)系到線圈的安全，而線圈在機(jī)組不同工況運(yùn)行時(shí)受到的電氣應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力等各種不利因素影響，又會(huì)造成槽楔的松動(dòng)。通過分析筆者認(rèn)為引起黑麋峰抽水蓄能電廠3號(hào)、4號(hào)發(fā)電/電動(dòng)機(jī)定子槽楔松動(dòng)、竄動(dòng)主要有以下幾方面原因。

3.1雙向旋轉(zhuǎn)因素

由于可逆式水泵/水輪機(jī)作水輪機(jī)和水泵運(yùn)行時(shí)的旋轉(zhuǎn)方向是相反的，因此電動(dòng)/發(fā)電機(jī)也需按雙向運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，從電氣原理上看，同步發(fā)電機(jī)本身是可以正反旋轉(zhuǎn)的，只需電源相序隨發(fā)電工況和電動(dòng)工況而轉(zhuǎn)換。發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)定子線圈上受到的力有轉(zhuǎn)子的電磁力和定子鐵芯的固定力，這對作用力與反作用力的方向會(huì)根據(jù)工況的不同變成相反方向，發(fā)電機(jī)工況時(shí)和常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)一樣定子受到轉(zhuǎn)子磁力作用，受到一個(gè)與旋轉(zhuǎn)方向相同的扭矩，定子鐵芯的固定力矩為該作用力的反作用力，電動(dòng)機(jī)工況定子受力方向則正好相反。線圈與槽壁間的隔離結(jié)構(gòu)由主絕緣層、防暈層、半導(dǎo)體低阻布、導(dǎo)電槽襯及半導(dǎo)體膩?zhàn)犹畛鋵咏M成，不同的工況線圈電磁力的方向相反，線圈與槽壁間隔離結(jié)構(gòu)不斷受線圈擠壓和改變工況后壓力的釋放并反向擠壓，如此往復(fù)，材料硬化、老化、收縮等因素影響了線圈與槽壁的接觸，逐漸發(fā)展成間隙后線棒產(chǎn)生振動(dòng)，也帶動(dòng)了槽楔的竄動(dòng)，槽楔的松動(dòng)又會(huì)加劇線棒的振動(dòng)，進(jìn)入惡性循環(huán)。3號(hào)、4號(hào)發(fā)電機(jī)啟停統(tǒng)計(jì)表如表2：

表2　3號(hào)、4號(hào)發(fā)電/電動(dòng)機(jī)年運(yùn)行次數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3.2制造工藝及安裝質(zhì)量因素

黑麋峰抽水蓄能電廠1號(hào)發(fā)電/電動(dòng)機(jī)由ALSTOM公司生產(chǎn)，2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)機(jī)除了2號(hào)機(jī)線圈外全部由國內(nèi)廠家生產(chǎn)，3號(hào)、4號(hào)機(jī)定子線圈引進(jìn)和消化吸收的是法國阿爾斯通公司定子線圈制造技術(shù)，額定電壓18 kV，線圈總長3 934mm，單只線圈重約42 kg，線圈主絕緣采用少膠VPI絕緣，防暈采用一次成形防暈結(jié)構(gòu)，F(xiàn)級(jí)絕緣，施工單位為同一家，4臺(tái)機(jī)定子下線施工工藝相同，槽內(nèi)填充的層間、契下墊片采用半導(dǎo)體墊片，上、下層線圈嵌入前在兩側(cè)及底面包裹一層帶膠的半導(dǎo)體低阻布（0.11mm× 100mm），槽內(nèi)固定采用槽襯固定結(jié)構(gòu)，將0.13mm厚導(dǎo)電槽襯J1008壓緊在槽襯形成的裝置上，用刮膠板將室溫固化半導(dǎo)體膩?zhàn)覬0301均勻的刮涂在槽襯布上，將槽襯布包裹在線圈上，采用環(huán)形吊，人工輔助嵌入線槽。大型機(jī)組定子線圈裝配工藝的好壞很大程度上決定著機(jī)組的使用壽命，槽楔裝配過松，在機(jī)組運(yùn)行過程中容易產(chǎn)生振動(dòng)，長期振動(dòng)導(dǎo)致線圈絕緣磨損，易產(chǎn)生放電，縮短使用壽命；槽楔裝配過緊，施工過程中易直接造成絕緣層損壞，也會(huì)縮短機(jī)組使用壽命。黑麋峰抽水蓄能電廠4臺(tái)機(jī)投運(yùn)以來由于電網(wǎng)調(diào)度需要等因素，發(fā)電工況和抽水工況運(yùn)行次數(shù)并不多，遠(yuǎn)未達(dá)到抽水蓄能電廠設(shè)計(jì)的使用頻率，1號(hào)、2號(hào)機(jī)和3號(hào)、4號(hào)機(jī)定子槽楔松動(dòng)情況現(xiàn)狀對比分析，線圈的制造工藝和施工質(zhì)量的差異是造成3號(hào)、4號(hào)機(jī)定子槽楔松動(dòng)的原因之一。

3.3功率調(diào)整幅度大、頻繁啟停因素

抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中擔(dān)任填谷調(diào)峰、調(diào)頻的作用，一般每天要啟停數(shù)次，機(jī)組啟停對定子線圈沖擊很大，此類型機(jī)組雖在設(shè)計(jì)上已有較為成熟考慮，但由于各種材料及制造工藝等因素制約，頻繁啟停仍然會(huì)對機(jī)組健康水平造成影響。發(fā)電/電動(dòng)工況運(yùn)行功率調(diào)整幅度要求很大，調(diào)整也很頻繁，大型機(jī)組要求有每秒鐘增減10MW負(fù)荷的能力，短時(shí)大幅度功率的調(diào)整，水力特性、機(jī)械特性、電磁力矩瞬間變化，作用在線圈上的電磁力近乎突變，產(chǎn)生很大沖擊，定子線圈在這類工況下運(yùn)行，對線圈制造質(zhì)量、安裝工藝及槽楔緊固系統(tǒng)要求更為嚴(yán)格。

3.4過渡過程復(fù)雜因素

抽水蓄能機(jī)組在工況轉(zhuǎn)換過程中要經(jīng)歷各種復(fù)雜的水力、機(jī)械和電氣瞬態(tài)過程。在這些瞬態(tài)過程中會(huì)發(fā)生比常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組大得多的受力和振動(dòng)，此類受力和振動(dòng)對發(fā)電/電動(dòng)機(jī)定子線圈有很大影響，槽楔緊固系統(tǒng)較常規(guī)水電應(yīng)更可靠。

3.5轉(zhuǎn)子的制動(dòng)方式因素

正常停機(jī)時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降至60%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)給轉(zhuǎn)子通入850 A左右的勵(lì)磁電流，同時(shí)合上電制動(dòng)刀閘將定子繞組三相短路。此時(shí)定子繞組中將感應(yīng)出10 000 A左右的電流，對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一個(gè)電磁阻力矩，使轉(zhuǎn)速很快下降，當(dāng)轉(zhuǎn)速降至5%時(shí)，投入轉(zhuǎn)子風(fēng)閘，使轉(zhuǎn)速馬上降為0。黑麋峰抽水蓄能電廠機(jī)組額定轉(zhuǎn)速300 r/min，實(shí)現(xiàn)快速停機(jī)必須使用電氣制動(dòng)方式，線圈自身及線圈固定系統(tǒng)需耐受三相短路電流對線圈產(chǎn)生的很大電動(dòng)力。

3.6冷卻方式及效果因素

黑麋峰抽水蓄能電廠電動(dòng)/發(fā)電機(jī)采用密閉循環(huán)空冷方式，設(shè)計(jì)上電機(jī)本身的通風(fēng)、冷卻系統(tǒng)能適應(yīng)雙向旋轉(zhuǎn)工作。鐵芯由硅鋼片疊制而成,硅鋼片具有良好的導(dǎo)磁性,磁滯損耗小及高電阻率，定子鐵芯有4種，分別是：階梯片、通風(fēng)槽片、普通片和測溫片。部分通風(fēng)槽片內(nèi)裝有絕緣筒，鐵芯上下都有壓板，定子鐵芯上有通風(fēng)孔用于冷卻定子。定子鐵芯通過雙鴿尾定位筋與定子機(jī)座相連，鐵芯分為6大段49小段疊片，疊完一個(gè)大段壓緊一次，最終疊完后通過拉緊螺桿拉緊。36支鉑金屬RTD安裝于鐵芯槽內(nèi)的上下層線棒之間,用于監(jiān)視定子線圈溫度；8支熱電偶溫度傳感器(材料：康銅)安裝于鐵芯內(nèi),沿中間高度呈環(huán)狀分布,用于監(jiān)視鐵芯溫度。槽楔安裝時(shí)通風(fēng)槽對位是安裝重點(diǎn)之一，散熱不均會(huì)在繞組和鐵芯間產(chǎn)生熱應(yīng)力及不同材質(zhì)的熱脹冷縮，引起槽楔松動(dòng)，槽楔竄動(dòng)后擋住通風(fēng)口又會(huì)進(jìn)一步影響局部散熱效果。通過對3號(hào)、4號(hào)發(fā)電/電動(dòng)機(jī)，發(fā)電工況和抽水工況熱穩(wěn)定狀態(tài)各部位溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)的比較分析，兩種工況熱穩(wěn)狀態(tài)時(shí)同部位溫度有差別，所以發(fā)電機(jī)工況和電動(dòng)機(jī)工況時(shí)，定子線圈受到不等的熱應(yīng)力。

3.7電動(dòng)機(jī)工況啟動(dòng)因素

可逆式電動(dòng)/發(fā)電機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，不能象組合式機(jī)組那樣利用水輪機(jī)來啟動(dòng)，而必須采用專門的啟動(dòng)設(shè)備，SFC啟動(dòng)或采用“背靠背”方式，電動(dòng)機(jī)工況容量為320MW。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子受磁場力作用，產(chǎn)生磁場力矩，方向同轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向一致，該磁場由接通三相交流電的定子線圈產(chǎn)生，轉(zhuǎn)子同時(shí)受到負(fù)載的阻力矩，方向同轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向相反，此時(shí)磁場力矩大于阻力矩，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速由“零”增速直到轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定，在轉(zhuǎn)子加速過程中，產(chǎn)生磁場力矩逐漸減小直到與阻力矩相等。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的磁場力矩和阻力矩相差愈大，啟動(dòng)過程就愈短，反之磁場力矩和阻力矩相差愈小，就會(huì)使啟動(dòng)過程延長。電動(dòng)機(jī)工況啟動(dòng)時(shí)，功率大，且按設(shè)計(jì)要求需要實(shí)現(xiàn)短時(shí)間達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，這需要很大的起動(dòng)力矩才能實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)成功，巨大的起動(dòng)力矩也是引起線圈振動(dòng)、槽楔松動(dòng)需要考慮的因素。

4　端部槽楔安裝固定技術(shù)的改進(jìn)

4.1端部楔塊結(jié)構(gòu)改進(jìn)

原來端部槽楔安裝緊固到位后，槽楔伸出鐵芯槽口10mm左右，由于端部槽楔安裝操作不方便，需要注意線圈端部防護(hù)、調(diào)整平墊片配置，端部槽楔安裝緊度較中間段槽楔往往反而偏松，雖有端部加適型氈的輔助固定方式，但在各種復(fù)雜工況下容易松動(dòng)竄出，線圈沒被牢靠的固定在線槽內(nèi)會(huì)有相當(dāng)于二倍電源頻率的電磁力施加于線棒上，使其在槽內(nèi)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。改進(jìn)后的槽楔比原槽楔長30mm，裝入線槽的槽楔長度不變，但伸出鐵芯槽口部位的長度變長，并在槽楔兩側(cè)設(shè)計(jì)滌綸護(hù)套玻璃絲繩綁扎止動(dòng)槽口。

4.2端部槽楔固定方法改進(jìn)

改進(jìn)后端部槽楔安裝緊固到位后，伸出鐵芯槽口40mm，用滌綸護(hù)套玻璃絲繩逐槽按線圈和槽楔成對綁扎緊固并使所有線圈形成一個(gè)整體，增加了端部槽楔自身穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性。

4.3端部槽楔輔助固定方式改進(jìn)

傳統(tǒng)方式為槽楔端部加適型氈的輔助固定方式，由于適型氈與槽楔接觸部位較小且剛性較差力度較小，在端部槽楔竄動(dòng)力度較大時(shí)無法徹底頂住槽楔的竄動(dòng)，容易出現(xiàn)槽楔將適型氈頂開和頂錯(cuò)位情況。為配合新型端部槽楔綁扎固定方法，從單個(gè)槽楔竄動(dòng)力度的有效吸收和整體竄動(dòng)力度的分散考慮，以線圈表面圓周長及弧度為基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)新型專用玻璃鋼擋板，6根線圈為一組，共100塊，上、下端部各50塊，用滌綸護(hù)套玻璃絲繩逐槽和線圈綁扎緊固，整圈形成一個(gè)整體（見圖1~2）。

圖1　新型專用玻璃鋼擋板固定后局部實(shí)圖

圖2 新型專用玻璃鋼擋板固定后整體實(shí)圖

4.4中間段槽楔安裝

槽楔、半導(dǎo)體平墊、環(huán)氧調(diào)整平墊、波紋墊的作用是作為線圈的徑向固定，阻止運(yùn)行中線圈的徑向位移，由于槽楔塊的厚度為定值，線槽深度也是定值，故線槽內(nèi)槽楔和上層線圈的間隙是定值，因此槽楔的壓緊度可通過在波紋墊片和線圈間填入厚度不同的環(huán)氧平墊條來調(diào)整。用小銅錘敲擊槽楔聽聲音來感覺楔塊振動(dòng)、柱塞千分尺測量波紋墊片峰谷值控制波紋墊片幅度為0.45mm的方法來檢查槽楔安裝的松緊度，并在槽楔的接口部位涂適量環(huán)氧樹脂

膠，使整個(gè)線槽槽楔成為一個(gè)連續(xù)的整體，有效的抑制了單個(gè)槽楔出現(xiàn)松動(dòng)后的竄動(dòng)力。

5　結(jié)束語

決定定子線圈壽命的關(guān)鍵因素是作為隔離高電壓銅導(dǎo)體與定子鐵芯的電氣絕緣，有效的發(fā)電機(jī)定子線棒緊固系統(tǒng)能防止線棒因電氣應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力等因素造成線棒在線槽內(nèi)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致線棒與鐵芯相摩擦損傷半導(dǎo)體涂層和主絕緣層。從黑麋峰抽水蓄能電廠3號(hào)、4號(hào)機(jī)發(fā)電/電動(dòng)機(jī)定子槽楔竄動(dòng)、松動(dòng)情況看，發(fā)電/電動(dòng)機(jī)工況的特殊性、槽楔安裝固定施工質(zhì)量及端部槽楔安裝固定方法為定子槽楔竄動(dòng)、松動(dòng)主要原因，端部楔塊結(jié)構(gòu)及綁扎方法的改進(jìn)和端部槽楔輔助固定方式的改進(jìn)，可為同類型機(jī)組定子端部槽楔安裝固定提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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中圖分類號(hào)：TM312

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5387（2015）08-0059-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.08.017

收稿日期：2015-05-04

作者簡介：周紹鴻（1981-），男，工程師，從事電氣設(shè)備檢修工作。