馬志忠，劉凱兵

(1.三峽機(jī)電工程技術(shù)有限公司, 四川 成都 610040；2.上海福伊特水電設(shè)備有限公司，上海 200240)

在水力發(fā)電廠，發(fā)電機(jī)定子繞組接地故障時有發(fā)生[1]。某大型水電站左、右岸電站各裝9臺單機(jī)容量為770 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，是已建成的世界第3大水電站[2-3]。其中左岸電站某臺機(jī)組于2017年12月A、B套定子接地保護(hù)動作跳閘停機(jī)，發(fā)生了定子接地故障。本文詳細(xì)分析了此次故障原因及處理措施。

1 故障點查找

故障發(fā)生后，某電廠進(jìn)行了初步排查，并立即向國調(diào)申請將該機(jī)組轉(zhuǎn)檢修，并組織技術(shù)人員對接地故障點進(jìn)行排查。

初步排查后決定，斷開該發(fā)電機(jī)B相出口、中性點軟連接，此時B相繞組的8個分支在出口端是相連的，在中性點處是分開的。測量發(fā)電機(jī)B相定子繞組電壓，發(fā)現(xiàn)其不能升高，確定接地故障點在發(fā)電機(jī)B相定子繞組內(nèi)。

在發(fā)電機(jī)B 相出口端與地之間施加小電流，該電流通過故障接地點形成回路，逐一測量各分支的電流，結(jié)果發(fā)現(xiàn)B相第7分支有電流通過，而其他分支無電流通過，因此確定故障接地點在第7分支。然后逐一測量第7分支的各線棒電流，發(fā)現(xiàn)第499槽上層線棒下端有電流而上端無電流，因此確定故障點在第499槽上層線棒槽內(nèi)。

將定子第499槽線棒周圍的上機(jī)架蓋板、轉(zhuǎn)子上下?lián)躏L(fēng)板、定子圍屏拆除，拔出3個磁極，檢查第499槽上層線棒。在退第第499槽槽楔過程中發(fā)現(xiàn)定子鐵心竄片，并損傷第499槽上層線棒，該部位的鐵心斷片長度為20～30 mm，如圖1所示。第499槽上層線棒拔出后發(fā)現(xiàn)直線段下端存在一處明顯劃傷，如圖2所示。

查閱了相關(guān)歲修記錄后，發(fā)現(xiàn)該處線棒附近對應(yīng)的定子鐵心拉緊螺桿自安裝以來從未進(jìn)行過處理。

圖1 故障點鐵心竄片圖

圖2 線棒劃傷部位圖

檢查還發(fā)現(xiàn)，定子鐵心下端階梯狀鐵心松動，主要表現(xiàn)為第2、3、4階梯段超出1階梯段部位。現(xiàn)場使用了0.10 mm塞尺檢查松動深度，發(fā)現(xiàn)約75%的階梯片沒有松動的跡象，10%的階梯片略微松動，15% 的階梯片松動情況較嚴(yán)重。而且發(fā)現(xiàn)松動部位的端部粘膠片均存在散開的現(xiàn)象。松動的階梯片如圖3所示。

圖3 松動的階梯片圖

2 故障原因分析

根據(jù)以上分析發(fā)現(xiàn)，定子端部鐵心發(fā)生松動，硅鋼片在定轉(zhuǎn)子之間磁拉力作用下進(jìn)入定子線槽切割定子線棒是引起定子接地故障的直接原因。而引起定子端部鐵心松動的原因有以下幾個方面[4-5]。

1)設(shè)計的原因。一是定子端部第2段至第4段階梯片過長，壓緊效果不好，容易造成鐵心松動，定子端部階梯片設(shè)計如圖4所示。二是由于壓指約只有一半長度位于機(jī)座上，另一半為懸臂梁結(jié)構(gòu)。在擰緊壓緊螺栓使鐵心壓緊時，必然是軛部受力較大，齒部受力較小。對于硅鋼片的任一齒而言，在齒端散張力的作用下越靠近齒根壓力越大，越靠近齒端壓力越小。因此定子端部鐵心在結(jié)構(gòu)上看不易壓緊、易松動，定子端部鐵心結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 定子端部階梯片設(shè)計圖

圖5 定子端部鐵心的結(jié)構(gòu)圖

2)制造的原因。鐵心端部階梯沖片膠粘不合格，是本機(jī)組鐵心松動的主要原因。鐵心端部階梯片在粘接過程中有以下不足：一是所使用的粘接劑不足，且操作者培訓(xùn)不到位，缺乏粘膠的經(jīng)驗；二是沒有嚴(yán)格按照規(guī)定程序操作，固化過程中壓緊不足；三是沒有按照程序檢查，檢驗不嚴(yán)格，僅通過目視檢查，未能及時發(fā)現(xiàn)問題；四是沒有充分考慮粘接環(huán)境對粘度和固化時間的影響。

3)安裝的原因。安裝過程中存在以下不足：一是鴿尾筋直線度、半徑、扭斜及弦距的偏差存在不滿足圖紙要求的情況，不利于鐵心壓緊；二是在疊裝階梯片的時候，有的階梯片被彎折，使得粘接層可能有松動；三是鐵心疊片壓緊時預(yù)緊力可能不足，導(dǎo)致鐵心沒有壓實。

此外，整個機(jī)座高度不可能完全一致，再加上每一個壓指的高度也不可能完全一致，造成相鄰壓指之間高差、壓指整圓高差、壓指內(nèi)外側(cè)高差等存在不滿足圖紙要求的情況，最終導(dǎo)致較高的壓指受力較大，較低的壓指受力較小。這樣容易造成壓指上的硅鋼片受力不均，不易完全壓緊，造成鐵心松動。

4)運行的原因。機(jī)組運行時在氣隙中存在旋轉(zhuǎn)磁場，該磁場對定子鐵心產(chǎn)生強(qiáng)大的徑向旋轉(zhuǎn)交變磁拉力[6]。在機(jī)組長期大容量運行時，鐵心端部溫度長期偏高，片間絕緣層會干縮，再加上階梯片粘膠不足，會使鐵心壓緊度不夠、齒部振動幅度加大，鐵心齒根部機(jī)械疲勞，造成定子鐵心松動，再加上硅鋼片處在徑向磁拉力的作用下，因此硅鋼片將沿徑向產(chǎn)生移動，進(jìn)入定子線槽，慢慢向外伸長，劃傷線棒絕緣，使線棒的絕緣性能越來越差，最終使 499 號定子上層線棒絕緣層擊穿，造成定子接地故障。

3 故障處理

對于此次故障，電廠先后進(jìn)行了臨時處理和永久處理。

3.1 臨時處理

根據(jù)以上分析，結(jié)合現(xiàn)場工作條件，臨時處理方案如下。

1)設(shè)備拆除。拆除基坑蓋板及與之對應(yīng)的上機(jī)架蓋板。拆除周向?qū)ΨQ的兩個位置的8個磁極。

2)清除。定子鐵心和轉(zhuǎn)子各部位在防護(hù)的情況下，切除長壓指內(nèi)徑側(cè)擋風(fēng)板圍屏固定塊，清除壓指上殘留的焊縫，并保持表面平整；去除定子鐵心上下端部階梯片表面的絕緣漆；去除長短壓指內(nèi)徑側(cè)及底部絕緣漆，不得損傷定子沖片；將硅鋼片的突出部分進(jìn)行磨平和銼平。

3)清掃。使用特定的工具、清潔劑對端部階梯片進(jìn)行清掃。

4)定子端部階梯片粘膠?，F(xiàn)場使用的是粘度較低的膠水EG882環(huán)氧樹脂，按照一定比例配膠后，進(jìn)行涂刷、填充、裝壓、加溫固化等工序，最后檢查并進(jìn)行鐵損試驗。

5)安裝定子端部階梯片及壓指支撐，并將定子鐵心的壓緊螺栓進(jìn)行重新緊固。

6)更換故障線棒。按定子線棒專用下線工藝嵌線。

7)回裝并進(jìn)行調(diào)試。

機(jī)組故障處理后，經(jīng)過了24 h的運行。經(jīng)檢查，發(fā)電機(jī)各項指標(biāo)良好。這種處理方法，不僅使得機(jī)組可以繼續(xù)發(fā)電產(chǎn)生效益，同時為永久處理方案的細(xì)節(jié)研究提供了充足的準(zhǔn)備時間。

3.2 永久處理

為了避免接地故障再次發(fā)生，永久消除隱患，決定對機(jī)組進(jìn)行更換鐵心和線棒。簡單講就是拆除原有線棒和鐵心，并按照制造廠家的最新技術(shù)文件重新裝焊下壓指、疊裝定子鐵心、安裝繞組。永久處理方案關(guān)鍵流程如圖6所示。

圖6 更換定子鐵心和線棒關(guān)鍵流程圖

此次更換鐵心和線棒，在機(jī)組的設(shè)計、制造和安裝方面，做了以下改進(jìn)。

1)對端部階梯片設(shè)計進(jìn)行了修改，臺階進(jìn)行了優(yōu)化。如圖7所示，階梯數(shù)由7段增加至8段，階梯的軸向總高度由46 mm減至45 mm。所有的階梯的軸向和徑向的尺寸都是5 mm。每個階梯段所需要粘接的鐵心沖片數(shù)量由原先的6片增加為10片(即所有沖片都需粘接)。

階梯片粘結(jié)采用了廠家提供的改進(jìn)的粘接工藝和檢查試驗程序，確保了粘接效果。

圖7 端部階梯片前后對比圖

2)壓指尺寸進(jìn)行了重新設(shè)計。定子鐵心端部階梯徑向長度縮短，短壓指長度相應(yīng)增加14 mm，長壓指尺寸不變，以保證鐵心壓緊效果不變。下壓指共576根，其中384根短壓指由之前的526 mm改為540 mm，壓指到氣隙的距離由54 mm減少至40 mm。

3)下壓指采用預(yù)安裝調(diào)平方法。把不合格的下壓指進(jìn)行再加工處理，盡量避免用墊片調(diào)平的方法。壓指和階梯片安裝效果如圖8所示。

圖8 壓指和階梯片安裝效果圖

4)為了以后檢修時，方便鐵心壓緊系統(tǒng)的拆裝，上下端所有螺母均采用非金屬鎖緊螺母。

5)由于之前發(fā)現(xiàn)鐵心拉緊螺桿絕緣套管內(nèi)有積水現(xiàn)象，導(dǎo)致鐵心拉緊螺桿絕緣螺桿的絕緣電阻下降，因此優(yōu)化了下部絕緣墊圈的結(jié)構(gòu)，增加了排水槽。

6)定子鐵心端部階梯徑向長度縮短，定子圍屏從設(shè)計和材料上也做了相應(yīng)的更改。

7)定子線棒絕緣進(jìn)行了改善，采用防暈結(jié)構(gòu)與主絕緣一次成型技術(shù)。同時要求新線棒必須經(jīng)過型式試驗驗證。

8)在處理中，將原來材質(zhì)為低合金鋼Q345的上壓板更換為不銹鋼06Cr19Ni10材質(zhì)，但其屈服強(qiáng)度相同，但更耐腐蝕、耐溫升、抗磁拉力。

9)在沖片制作的過程中嚴(yán)格控制原料、操作人員水平、制作工藝、測試要求以及過程監(jiān)控等環(huán)節(jié)。

機(jī)組更換鐵心和線棒后，經(jīng)過了一個汛期的運行，發(fā)現(xiàn)無論是制造、安裝和運行，各方面數(shù)據(jù)均達(dá)到了“優(yōu)質(zhì)機(jī)組”的要求，故障處理比較成功。

4 結(jié)語與建議

故障處理后機(jī)組的運行狀況良好，充分驗證了此次故障處理的方案是可行的、有效的，故決定在2019～2020歲修期對電廠另1臺機(jī)組(與故障機(jī)組出自同一生產(chǎn)廠家)進(jìn)行定子線棒和鐵心更換，徹底消除定子接地的安全隱患。

因定子鐵心發(fā)生松動而引發(fā)的定子接地故障是發(fā)電機(jī)的一種常見的接地故障，也是后果極為嚴(yán)重的故障。因此如何預(yù)防或減少類似故障的發(fā)生顯得尤為重要，為此提出以下幾點建議。

1)端部階梯設(shè)計要充分考慮機(jī)組安裝和運行情況，做到設(shè)計合理且端部階梯片所有沖片都應(yīng)該進(jìn)行粘接，以提高其整體性和剛度。端部階梯片粘接要采用改進(jìn)的定子鐵心端部階梯片粘接工藝和完善的質(zhì)量檢查流程。

2)在下壓指安裝時，下壓指整圓高程差、相鄰兩塊高程差、內(nèi)圓與外圓的高度差、下壓指中心與沖片齒中心的相對位置和壓指齒端與沖片齒端徑向距離都要符合設(shè)計要求。

3)為了避免階梯片粘接層松動，在疊裝階梯片的時候，每6人一組，分上中下，保保證階梯片處于水平狀態(tài)從上到下安裝，不得彎折和“暴力”安裝。此外，定子鐵心應(yīng)分段壓緊疊裝，鐵心疊至設(shè)計高度時各預(yù)壓一次，預(yù)壓緊力要符合設(shè)計要求。

4)每次機(jī)組檢修時應(yīng)全面檢查定子鐵心是否有異常情況，特別應(yīng)檢查鐵心壓緊螺栓是否松動，是否有積水，各螺栓壓緊力矩是否恒定。

5)定子鐵心試驗是檢查定子鐵心故障的重要手段。建議將定子鐵心試驗作為大修的必做試驗項目。此外，在機(jī)組小修時建議用工業(yè)內(nèi)窺鏡檢查定子鐵心特別是端部鐵心，以便盡早發(fā)現(xiàn)異常情況。