閆云強

（國電電力內(nèi)蒙古新能源開發(fā)有限公司，呼和浩特 010040）

0 引言

風力發(fā)電中，發(fā)電機是風電機組的核心設備，發(fā)電機的轉(zhuǎn)子在發(fā)電過程中起到重要作用，而引出線是將發(fā)電機轉(zhuǎn)子三相電流引至變頻器的重要部件之一，發(fā)電機運行時，轉(zhuǎn)子導電排將受到離心力、電磁力和熱應力等綜合作用力[1]，因此轉(zhuǎn)子導電排結(jié)構(gòu)的可靠性對發(fā)電機穩(wěn)定運行至關重要。

本文針對某2 MW風電機組發(fā)電機轉(zhuǎn)子導電排熔斷故障，通過查找故障原因，從設計結(jié)構(gòu)、制造工藝等方面[2]，提出一種新型導電排結(jié)構(gòu)，并進行改造，成功解決了發(fā)電機轉(zhuǎn)子幾字形導電排熔斷問題。

1 故障概況

某日，某2 MW風電機組B13機組報網(wǎng)側(cè)變流器故障，現(xiàn)場對變頻器、發(fā)電機編碼器、集電環(huán)、碳刷等進行檢查，均無異常，隨后打開發(fā)電機觀察孔，對轉(zhuǎn)子導電排進行檢查，發(fā)現(xiàn)其中一個導電排熔斷。該發(fā)電機導電排為幾字形，通過絕緣壓塊固定在轉(zhuǎn)軸上，用螺栓與硅橡膠電纜固定連接[3]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 導電排結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場熔斷情況Fig.1 Conducting bar structure and field fusing fault

2 故障原因分析

轉(zhuǎn)子導電排出現(xiàn)熔斷故障，主要從導電排結(jié)構(gòu)設計、導電排制造工藝和導電排材質(zhì)性等能幾個方面進行排查[4]。

2.1 結(jié)構(gòu)設計

導電排結(jié)構(gòu)設計主要考慮三個方面：電流密度、機械強度和工藝性[5]。

2.1.1 電流密度

2 MW發(fā)電機轉(zhuǎn)子額定電流為589 A，導電排銅母線規(guī)格（厚×寬）5.6 mm×25 mm，額定工況下電流密度為4.21 A/mm2。導電排規(guī)格選型與轉(zhuǎn)子線圈規(guī)格一致，導電排的電流密度能夠滿足設計要求。

2.1.2 機械強度

導電排正常運行時受到綜合力作用，包括熱應力、離心力、加速度引起的慣性力、電磁力、振動力等，其中熱應力和離心力為主要作用力[6]。采用有限元方法分析導電排結(jié)構(gòu)在熱應力和離心力作用下的機械性能。

計算三維模型和載荷約束情況見圖2。假定導電排結(jié)構(gòu)無損傷。

圖2 三維模型和載荷約束圖Fig.2 3D Model and load constraint diagram

邊界條件：在模型上邊界面和右邊界面各自定義完全固定約束。

載荷條件：模型整體施加2500 r/min的離心力，導電排施加192℃的溫度荷載。

導電排參數(shù)：銅母線密度8900 kg/m3，彈性模量110 GPa，泊松比0.33，熱脹系數(shù)1.8×10-5/℃，抗拉強度224 MPa。

導電排Mises應力分布云圖見圖3。計算結(jié)果表明，導電排最大應力為80.1 MPa，出現(xiàn)在折彎處，小于材質(zhì)的抗拉強度224 MPa。導電排的機械強度均滿足設計要求。

圖3 Mises應力分布云圖Fig.3 Mises stress distribution cloud chart

2.1.3 工藝性

導電排材質(zhì)為硬態(tài)（TMY）銅母線，銅和銅合金母線的寬邊彎曲，彎曲半徑不宜過小，彎曲表面不應出現(xiàn)裂紋。

導電排彎曲半徑為2.5 mm，彎曲半徑較小，彎制時工藝難度增大，出現(xiàn)工藝性損傷的風險較大，因此工藝性較差。

2.2 制造工藝

轉(zhuǎn)子導電排出現(xiàn)故障后，組織相關人員對導電排加工工藝和加工質(zhì)量進行了調(diào)查分析，故障機組使用的導電排采用折邊機沖壓成型制造工藝，存在缺陷[7]，模具倒角很小，導電排成型后彎角處存在明顯壓痕，如圖4所示，導電排加工質(zhì)量較差。

圖4 采用折邊機壓制成型的工藝方法成型后導電排Fig.4 Conducting bars formed by pressing and forming process with flanging machine

導電排在成型過程中產(chǎn)生了壓痕，采用有限元方法分析存在壓痕工藝性損傷的導電排在熱應力和離心力作用下的機械性能[8]。假設導電排在成型過程中產(chǎn)生了0.1 mm深的裂紋，通過幾何模型計算，無/有壓痕導電排的應力云圖如圖5所示，壓痕對導電排最大應力影響的對比分析結(jié)果見表1。

圖5 無/有壓痕導電排應力云圖Fig.5 Stress cloud chart of conducting bar without/with indentation

表1 壓痕對導電排最大應力影響對比結(jié)果Tab.1 Comparison results of the effect of indentation on maximum stress conducting bar

從有限元分析結(jié)果可以看出，存在壓痕時，導電排最大應力達到了201.4 MPa，相比于無壓痕時導電排的最大應力增大約1.6倍，接近材料的抗拉強度224 MPa，可見當有工藝性壓痕存在時，導電排疲勞壽命會大大縮短。

2.3 材質(zhì)性能

導電排材質(zhì)為T1銅。故障后對返廠導電排進行化學成分和機械性能測試，檢測結(jié)果如表2所示。根據(jù)測試結(jié)果，導電排材質(zhì)、機械性能均符合要求[9]。

表2 導電排材質(zhì)檢測結(jié)果Tab.2 Test results of conducting bar material

2.4 結(jié)論

通過對導電排結(jié)構(gòu)設計、制造工藝和材質(zhì)性能三個方面的綜合分析，得出導電排熔斷故障的原因如下：

（1）導電排彎曲直徑偏小，工藝性相對較差，導電排成型過程中容易產(chǎn)生工藝性損傷；

（2）導電排制造加工工藝存在缺陷[10]，采用折邊機成型工藝，彎折模具彎角過小，使得導電排成型過程出現(xiàn)明顯壓痕和損傷；

（3）導電排最大應力的安全裕度相對減小，當導電排存在工藝性損傷時最大應力接近材質(zhì)的抗拉強度[11]。

綜上，導電排在制作過程中產(chǎn)生工藝性損傷后其機械性能大大降低，在離心力和熱應力的作用下，最大應力接近材質(zhì)的抗拉強度，遠大于材質(zhì)的疲勞極限，導電排在損傷處出現(xiàn)疲勞，最終導致熔斷故障。

3 改造方案

3.1 技術方案

針對上述原因，提出一種新型導電排結(jié)構(gòu)，包括上導電排、轉(zhuǎn)子線圈、下導電排、轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)換組件和電纜，結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。上導電排上端與轉(zhuǎn)子線圈焊接，上導電排下端通過氧乙炔焊方式與下導電排上端焊接，轉(zhuǎn)子線圈下方設有轉(zhuǎn)軸，下導電排右端與電纜相連接。轉(zhuǎn)換組件下方與轉(zhuǎn)軸相接，轉(zhuǎn)換組件包括凹槽、滑板、彈簧、吹管、轉(zhuǎn)動盤、絕緣塊和夾持組件；凹槽設于轉(zhuǎn)軸右端，其結(jié)構(gòu)如圖6中A處所示，凹槽內(nèi)側(cè)面與滑板相互接觸，滑板底部與彈簧彈性連接，凹槽底部左端與吹管相連接，轉(zhuǎn)動盤通過支撐架與凹槽上端相連接，轉(zhuǎn)動盤連接關系結(jié)構(gòu)如圖7所示，轉(zhuǎn)動盤上下兩端側(cè)面連接有絕緣塊，轉(zhuǎn)動盤左右兩側(cè)面連接有夾持組件，夾持組件結(jié)構(gòu)如圖8所示，夾持組件包括連接板、絲桿、手柄、滑塊和夾塊。連接板與轉(zhuǎn)動盤左右兩側(cè)面相連接，連接板內(nèi)左端與絲桿轉(zhuǎn)動連接，絲桿前端與手柄固定連接，絲桿側(cè)面螺紋與滑塊螺紋連接，滑塊右端與夾塊固定連接。

圖6 新型導電排結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of new conducting bar

圖7 轉(zhuǎn)動盤連接結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of connection relation structure of rotating plate

圖8 夾持組件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of clamping component structure

3.2 新型導電排工作原理

（1）使用新型導電排時，首先將結(jié)構(gòu)改造后的裝置放置在工作區(qū)域中，然后將設備與外部電源相連接，即可為本設備工作提供所需的電能。

（2）更換下導電排時，在下導電排與氧乙炔焊接處進行分離操作，給手柄673施加動力，帶動絲桿672轉(zhuǎn)動，使兩端的滑塊674相向移動，帶動兩端的夾塊675相向分離，失去對電纜7上端的夾持，可將下導電排與電纜分離。

（3）施加動力給轉(zhuǎn)動盤65，使下端絕緣塊66內(nèi)放置的下導電排4向上轉(zhuǎn)動，至轉(zhuǎn)動盤65下端，即可快速完成對下導電排4的更換。

（4）轉(zhuǎn)動盤65上端的絕緣塊66轉(zhuǎn)換至下端時，當絕緣塊66轉(zhuǎn)動后，可施加擠壓力給滑板62，使滑板向下壓縮彈簧63，滑板向下移動的同時擠壓內(nèi)部空氣進入吹管64，并向上延伸至吹管64上端，空氣經(jīng)過吹管64上端開口吹向下導電排4，可清除下導電排表面的粉塵。

（5）將下導電排4、上導電排1和電纜7連接，并將電纜上端置于夾塊675內(nèi)部，施加動力給手柄673，通過絲桿672帶動兩端的夾塊675相向移動并對電纜上端夾持固定，提高電纜與下導電排之間連接的穩(wěn)定性，降低整體晃動產(chǎn)生的影響。

3.3改造效果有限元分析

為方便制造，將導電排彎曲半徑從2.5 mm增加到10 mm。采用有限元方法分析彎曲半徑為10 mm的導電排在熱應力和離心力作用下的機械性能。圖9為導電排彎曲半徑為2.5 mm（R2.5）和10 mm（R10）時導電排的應力云圖。表3為彎曲半徑對導電排最大應力的對比分析結(jié)果。

圖9 R2.5、R10彎曲半徑導電排應力云圖Fig.9 Stress cloud chart of conducting bar with bending radius of R2.5 and R10

表3 不同彎曲半徑導電排最大應力對比結(jié)果Tab.3 Comparison results of maximum stress of conducting bars with different bending radius

從有限元分析結(jié)果可以看出，導電排彎曲半徑從2.5 mm增加到10 mm時，導電排工藝性能增加的同時最大應力降低了21%，導電排結(jié)構(gòu)可靠性得到提高。

為減小導電排最大應力，提高其安全裕度[10]，新型導電排在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向上增加一個轉(zhuǎn)換組件，有限元分析時采用導電排中間約束的方法來模擬固定支撐對導電排的受力分析。圖10為彎曲半徑為2.5 mm和10 mm的導電排增加轉(zhuǎn)換組件后的應力云圖。表4為轉(zhuǎn)換組件對導電排最大應力影響的對比分析結(jié)果。

圖10 帶轉(zhuǎn)換組件的導電排應力云圖Fig.10 Stress cloud chart of conducting bar with conversion components

表4 轉(zhuǎn)換組件對導電排最大應力影響的對比分析結(jié)果Tab.4 Comparison and analysis results of effect of conversion components on conducting bar

從有限元分析結(jié)果可以看出，導電排增加轉(zhuǎn)換組件后最大應力減小了約90%，導電排結(jié)構(gòu)可靠性大大提高。

4 現(xiàn)場修復及防范措施

4.1 修復步驟

（1）拆除轉(zhuǎn)子電纜與導電排、轉(zhuǎn)子導電排連接處所有外包絕緣及連接螺栓、螺母；

（2）撬平3個止動墊片角，采用氧乙炔焰預熱拆除三相轉(zhuǎn)子導電排固定絕緣壓塊的螺栓、止動墊片和絕緣壓塊；

（3）按圖11所示位置將原導電排截斷，將新導電排與原導電排剩余部分采用氧乙炔焊進行搭接焊接，并對焊接后導電排進行包絕緣處理。焊接時，采用氧乙炔焊焊接，用HL204銀銅焊料填充充分，焊接部位需焊頭焊牢，新舊導電排的搭接長度為13～15 mm。

圖11 導電排截斷位置及焊接要求Fig.11 Cut-off position and welding requirements ofconducting bar

（4）安裝轉(zhuǎn)動盤、夾持組件等附件，安裝后導電排結(jié)構(gòu)如圖12所示，最后對新導電排整體進行包絕緣處理；

圖12 安裝改造后導電排結(jié)構(gòu)Fig.12 Conducting bar structure after installation and transformation

（5）安裝新型導電排后，清理防護材料碎屑，導電排與支架間隙用適型氈填實，用直徑5 mm的滌波繩將導電排與支架綁扎牢固，刷自干漆固化，確保刷干、刷透；

（6）測量轉(zhuǎn)子三相直流電阻和絕緣電阻。三相直流電阻偏差≤2%，絕緣電阻≥20 MΩ。

4.2 維護措施

為保證修復質(zhì)量，在修復及后期維護中還需做到以下幾點：

（1）嚴格按照標準作業(yè)指導書要求進行整改，整改過程須記錄、歸檔；

（2）焊接人員須具有焊接與熱切割作業(yè)證，對焊接人員按照整改要求進行專項培訓并考核，合格后方可進行現(xiàn)場焊接工作；

（3）整改方案中新導電安裝過程圖片需提交專業(yè)技術人員確認后才能進行下一步工作；

（4）后期運行中應加強巡檢，定期打開發(fā)電機觀察孔檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

5 結(jié)束語

按照新型導電排結(jié)構(gòu)進行整改修復后，發(fā)電機運行穩(wěn)定。后期跟蹤檢查，導電排表面絕緣沒有發(fā)黑碳化、打火現(xiàn)象，焊接處未出現(xiàn)焊縫開裂現(xiàn)象，轉(zhuǎn)動盤、夾持組件與導電排沒有松動脫落現(xiàn)象。測量轉(zhuǎn)子三相直流電阻、對地絕緣電阻、相角偏差等均在正常范圍，初步驗證采用新型導電排可有效解決發(fā)電機幾字形導電排熔斷問題，有效延長風電機組關鍵部件的使用壽命。