丁立葉

(大唐碧口水力發(fā)電廠,甘肅 文縣 746412)

苗家壩水電站定子穿心螺桿絕緣處理的研究與實施

丁立葉

(大唐碧口水力發(fā)電廠,甘肅 文縣 746412)

苗家壩電站3臺水輪發(fā)電機組自2014年6月投產以來,存在部分定子穿心螺桿絕緣不合格(<15MΩ)的問題,經(jīng)過嘗試電流燒烤法、振動法、吹掃法等多種方法進行處理,定子穿心螺桿絕緣下降的現(xiàn)象反復出現(xiàn).經(jīng)過研究攻關,制定了改變定子穿心螺桿絕緣方式的處理方案,將原定子穿心螺桿分段絕緣結構改造為全絕緣結構.2015年和2016年分別對3#機和2#機定子穿心螺桿進行技術改造,改造后定子穿心螺桿絕緣全部合格,再未出現(xiàn)絕緣反復降低的現(xiàn)象,該問題得到了徹底解決.

定子;穿心螺桿;絕緣;水輪發(fā)電機;苗家壩水電站

1 電站概況及隱患危害

苗家壩水電站共設計安裝3臺混流式水輪發(fā)電機組,發(fā)電機型號為SF80-30/7600,發(fā)電機定子主要由定子機座、鐵芯和繞組等組成,定子鐵芯壓緊采用穿芯螺桿結構,3臺水輪發(fā)電機組自2014年6月投產以來,存在部分定子穿心螺桿絕緣不合格(<15MΩ)的問題,甚至部分螺桿絕緣值直接為"0MΩ",無法滿足設計要求.根據(jù)發(fā)電機工作原理,發(fā)電機正常運行時,定子穿芯螺桿切割磁力線,在其兩端形成感應電動勢,當1臺機定子穿芯螺桿發(fā)生兩點以上接地時,2個螺桿通過接地形成回路,導致螺桿間形成短路電流,在該電流的長時間作用下,將會導致定子穿芯螺桿發(fā)熱,甚至燒損斷裂,同時短路回路附近的鐵芯溫度升高,容易造成定子線圈燒毀.定子穿心螺桿斷裂后,定子鐵芯松動,在強大的磁拉力作用下,將造成定子鐵芯扭曲變形,最終導致整臺機組的定子報廢.

2 原因分析

為徹底解決此重大設備隱患,經(jīng)過攻關小組成員對定子穿心螺桿設計結構及安裝過程進行綜合分析,導致定子穿芯螺桿絕緣下降的主要原因有以下兩點.

(1)結構分析.苗家壩水電站定子鐵芯在現(xiàn)場組裝、疊片,鐵芯高度為1500mm.定子鐵芯壓緊由162根φ16mm穿心螺桿拉伸緊固,穿心螺桿穿過鐵芯沖片φ22mm孔時,每隔3個通風槽的垂直距離處放置一內徑φ16.5mm法蘭型絕緣套管,共放置9個,加上上下端部安裝的絕緣套管,共計11個.穿芯螺桿無絕緣套管部分與鐵芯間存在3mm單邊空氣間隙,具體結構如圖1所示).從結構設計上分析,存在結構設計缺陷,機組運行過程中,發(fā)電機風洞內可能存在的粉塵,通過定子通風槽片進入,并堆積在法蘭型絕緣套管頂端,導致穿心螺桿和定子鐵芯通過灰塵導通,造成絕緣下降,甚至接地.(2)安裝過程分析.定子疊裝過程中,廠房尚未封頂,現(xiàn)場安裝環(huán)境較為惡劣,雖然采取了搭設封閉施工棚等防護設施,但在定子鐵芯疊裝過程中,定子穿心螺桿孔中的依然存在粉塵堆積的可能性;鐵芯在分段拉伸過程中,拉伸螺桿可能產生的鐵削等雜物掉落在定子穿心螺孔內,特別是鐵芯磁化試驗后,穿心螺桿孔中吸附的金屬粉塵均可導致穿心螺桿和定子鐵芯導通,造成絕緣下降,甚至接地.

圖1 定子鐵芯結構圖

3 方案提出

通過原因分析和調研論證分析,最終確定攻關方向為改變定子穿心螺桿絕緣結構,將原來分段絕緣改造為全絕緣的形式,徹底解決螺桿絕緣反復降低的問題.具體提出兩項改造方案.(1)將現(xiàn)有分段安裝的法蘭型絕緣套管更換為通長全絕緣套管.(2)對穿心螺桿進行全絕緣包裹處理.

4 方案論證

(1)法蘭型絕緣套管更換為通長全絕緣套管.對此方案分析認為,由于法蘭型絕緣套管已在定子疊裝過程中壓入鐵芯內部,如更換絕緣套管,必須將整個定子全部分解、重新疊裝,此方案處理工序繁瑣、工藝復雜且處理工期較長、經(jīng)濟投資較大.初步估算,按照此方案進行改造,工期至少需要3個月,改造投資大約需要800萬元,工期較長、耗資巨大,不具備實施條件.(2)穿心螺桿進行全絕緣包裹處理.如果在原定子穿心螺桿(φ16mm)外形尺寸的基礎上,進行全絕緣包裹處理,則螺桿的外形尺寸將增大,而絕緣套管內徑僅為φ16.5mm,且各絕緣套管間還存在一定的中心偏差,為了便于穿心螺桿能夠順利回裝,全絕緣處理后的穿心螺桿直徑應不超過φ16mm,因此必須對穿心螺桿重新進行選型更換.按照螺紋規(guī)格,φ16mm螺桿減小尺寸,最接近的螺桿外徑尺寸為φ14mm,新選尺寸的螺桿是否能滿足單根螺桿受力值72kN的抗拉強度,需進行強度校核.此問題委托有資質單位對φ14mm高強度螺桿進行選材和力學性能計算,根據(jù)原機組的技術參數(shù),按照每根拉緊螺桿的受力值 72kN不變,可以計算出,如果將拉緊螺桿直徑由原機組的φ16mm變更為φ14mm后(數(shù)量162根,長度 1849mm不變),對應的光桿處拉應力是467.7MPa,螺紋段(按照小徑尺寸φ11.835mm計算)的拉應力是654.5MPa,整根拉桿的伸長量是4.44mm.當拉緊螺桿規(guī)格選擇φ14mm時(兩端螺紋是M14),材料選擇高強度的合金結構鋼圓鋼國產材料42CrMo(抗拉強度900~1050MPa)或進口材料42CrMo4(抗拉強度900~1050MPa)時,力學性能可以滿足理論計算的強度要求.

通過上述分析計算,改造時將螺桿的規(guī)格降低到φ14mm在理論上可行.經(jīng)過對φ14mm螺桿包繞無堿玻璃絲帶并涂刷中溫固化膠干燥后,測量尺寸在15~15.6mm之間,絕緣測量遠大于15MΩ,符合安裝要求.

5 論證結論

經(jīng)過上述兩方案的對比分析,將原有的φ16mm的螺桿更換為φ14mm 42CrMo(國產材料)高強鋼穿心螺桿,無論在抗拉強度上,還是在絕緣方面,均能滿足設計要求.而更換定子穿心螺桿過程中,不需要對整臺定子全部拆解,工序相對容易,且施工難度、工期及投資相對較小,因此最終論證確定的改造方案為:更換全絕緣的定子穿心螺桿,將穿心螺桿與定子鐵芯完全隔絕,徹底解決螺桿絕緣反復降低的問題.

6 具體方案

(1)清潔風洞.對機坑、上機架、轉子、定子機座、空冷器、下機架,下蓋板等部位,進行全面徹底清掃.對定子線圈、轉子磁極等重要部位清掃時,用面團進行除塵,其它部位用吸塵器、酒精布、毛刷等工具進行除塵.(2)風洞內地面涂刷環(huán)氧地坪漆.保持風洞內空氣清潔度,減少金屬粉塵的存在幾率.(3)加工制造一臺套φ14mm材質為42CrMo(國產材料)螺桿定子穿心螺桿.螺桿加工過程中,控制退刀槽尺寸不低于φ11.6mm,經(jīng)力學性能檢測及無損檢測合格.對螺桿直桿段,包繞環(huán)氧玻璃粉云母帶5440-1并涂刷中溫固化膠后,干燥處理絕緣檢測合格后備用.(4)申請機組A修.拆除發(fā)電機定子線棒、匯流排等設備,具備定子穿心螺桿更換條件(準備線棒、絕緣盒、槽楔等備品,防止拆除過程中損壞).(5)為防止定子鐵芯松動,穿心螺桿更換采用"拆除一根、更換一根"的原則,禁止大面積拆除后更換.(6)原定子穿心螺桿拆除后,利用低壓風對定子穿心螺孔內進行吹掃,清除灰塵、鐵削等雜物.(7)更換螺桿,按照4.44mm伸長量進行預緊拉伸.(8)用500V搖表檢查螺桿絕緣,絕緣值不低于15MΩ.(9)設備回裝,在鐵芯磁化及耐壓試驗前后檢查定子穿心螺桿絕緣的變化情況.(10)開機試運,跟蹤監(jiān)測螺桿絕緣的變化情況.

7 效果檢查

2015年底和2016年底,苗家壩水電站組織開展2#和3#機組A級檢修工作,按照改造方案對原162根定子穿心螺桿進行全部更換,更換后測量螺桿絕緣,全部合格.機組回裝后,經(jīng)過近1年的跟蹤檢測,再未發(fā)生定子穿心螺桿絕緣下降的事件,此問題得到了徹底有效地解決.

8 成果總結

通過自主討論研發(fā)的新工藝、新方法,徹底解決了苗家壩水電站2#和3#發(fā)電機定子穿心螺桿絕緣不合格的重大設備隱患,避免了機組帶病運行可能造成的整臺定子報廢,也避免了定子修復過程中所產生的投入和電量損失;同時該工藝和方法的使用在行業(yè)內尚屬首例,在絕緣處理過程中不需要對整臺定子全部拆解,節(jié)省了檢修周期和檢修費用,處理效果明顯且能夠徹底解決定子穿心螺桿絕緣問題,在行業(yè)內同類型機組發(fā)生的類似問題處理方面具有重要的推廣和指導意義.

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