朱何會，劉 玲，黃劍奎

（浙江富春江水電設(shè)備股份有限公司，杭州310013）

0 引言

某水電廠安裝有2臺進(jìn)口于國際知名廠家生產(chǎn)的燈泡貫流式機(jī)組，投產(chǎn)于20世紀(jì)90年代后期，額定功率34.5 MW，額定電壓10.5 kV，額定功率因數(shù)0.92，額定轉(zhuǎn)速88.2 r/min。定子機(jī)座為方便運輸，在工廠分兩瓣制造，運輸至電站現(xiàn)場再用螺栓連接組合；分瓣定子鐵心在工廠疊裝，運到電站現(xiàn)場再與定子機(jī)架組合好，并進(jìn)行圓度測量；定子繞組為整槽雙層波繞組，采用羅貝爾ROEBEL換位方式；線棒裝入定子槽后，在槽中采用硅橡膠進(jìn)行固化處理；定子絕緣等級F級，轉(zhuǎn)子絕緣等級F級。發(fā)電機(jī)基本參數(shù)見表1。

表1 水輪發(fā)電機(jī)基本參數(shù)表

目前2臺發(fā)電機(jī)存在的最大問題是定子鐵心變形，從鐵心背面看存在波浪變形，波浪變形在發(fā)電機(jī)的鐵心分瓣結(jié)合處尤為明顯。由于定子鐵心變形導(dǎo)致定子壓指與鐵心沖片間多處出現(xiàn)空隙，鐵心松動。在2002年6月2#機(jī)由于鐵心松動損傷線棒絕緣導(dǎo)致發(fā)電機(jī)定子接地；在2006年8月1#機(jī)由于鐵心松動損傷線棒絕緣導(dǎo)致相間短路，使得發(fā)電機(jī)線棒、鐵心嚴(yán)重受損。

1 原因分析

1.1 電磁設(shè)計上的原因

1.1.1 定子鐵心斜槽結(jié)構(gòu)

燈泡式水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速低，定子鐵心內(nèi)徑小，定、轉(zhuǎn)子氣隙小，極數(shù)多，再加上為了滿足電力系統(tǒng)對某些電氣參數(shù)的要求，槽數(shù)又不能選得太多。因此，定子每極每相槽數(shù)q值較小，一般在1＜q＜3。當(dāng)q值取整數(shù)槽或選取q＝bd+c＜7的分?jǐn)?shù)槽繞組時，必須進(jìn)行電壓波形的分析和計算。從數(shù)據(jù)參數(shù)表中可見，由于燈泡機(jī)結(jié)構(gòu)上的限制或因原制造廠的技術(shù)傳承，原制造廠在電磁設(shè)計時，定子槽數(shù)選取了306槽，即每極每相槽數(shù)q=bd+c=1+1/2。為了避免由此引起的定子電勢波形畸變，在電磁設(shè)計時廠家采取了改善電壓波形的措施之一，定子鐵心斜1/2槽距，即上、下游側(cè)槽傾斜32.085 mm。定子鐵心斜槽可以改善磁路，削弱高次電磁諧波，從而使發(fā)電機(jī)波形光滑，減小其噪聲和振動。定子斜槽雖然在很多燈泡機(jī)上應(yīng)用且有不少成功業(yè)績，但其結(jié)構(gòu)上的不足還是切實存在的：

1）斜槽結(jié)構(gòu)的定位筋掛裝后理論上會產(chǎn)生雙曲線誤差，形成定位筋內(nèi)徑上、下游側(cè)大，中間小的現(xiàn)象；實際操作時，若工藝不到位，誤差將不可避免或更大；

2）斜槽結(jié)構(gòu)的定子鐵心壓緊較直槽結(jié)構(gòu)困難。直槽結(jié)構(gòu)的定子鐵心壓緊基本上是一軸向力；而斜槽結(jié)構(gòu)的定子鐵心在以鴿尾筋基準(zhǔn)面軸向移動的同時還有一水平方向的移動，鐵心壓緊時，定子沖片除了承受軸向壓力外，還將承受斜定位筋的切向分力，使得沖片與定位筋的摩擦力增大，鐵心壓緊困難；

3）定子鐵心斜槽使下線后線棒與槽側(cè)面的間隙不均勻。本電站“線棒裝入定子槽，在槽中采用硅橡膠進(jìn)行固化處理”應(yīng)該是較好的解決了這個問題；

1.1.2 定子鐵心軛部較窄

定子鐵心槽深117 mm，軛寬為108 mm，軛部較窄，導(dǎo)致鐵心的整體剛性差，鐵心疊壓時壓不緊或壓力不均勻。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計上的原因

1）分瓣定子鐵心結(jié)構(gòu)。分瓣定子鐵心結(jié)構(gòu)，破壞了鐵心的整體性，使得鐵心的剛度，圓度變差。鐵心合縫處如果處理不當(dāng)，將會引起局部振動，若定子剛性差，將會引發(fā)整個定子振動。

2）鴿尾筋與鐵心間預(yù)留熱膨脹間隙過小僅為0.5 mm；鐵心熱膨脹產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力受阻易引起定子沖片發(fā)生軸向翹曲變形，最終發(fā)生鐵心松動、振動、噪聲造成線棒絕緣磨損、燒壞鐵心等各種事故危害，影響機(jī)組正常運行。

3）定子拉緊螺桿數(shù)量偏少。定子單張沖片為17槽，弦長約1 170 mm，導(dǎo)致圓周方向拉緊螺桿偏少，僅為72根，比同類型機(jī)組數(shù)量少約1/3。

4）定子拉緊螺桿直徑為M24偏小，同類型機(jī)組一般為M36或更大。

5）由于鐵心齒較寬，為45.47 mm，每齒上設(shè)置兩根通風(fēng)槽鋼；而齒壓板上的壓指設(shè)置成和通風(fēng)槽鋼一一對應(yīng)，即一個齒上兩根壓指，致使壓指有軸向高度而無周向?qū)挾?，剛性差，易失穩(wěn)。

6）定子繞組端部未設(shè)置端箍固定。端箍的作用在于當(dāng)發(fā)電機(jī)突發(fā)短路時，端箍可以承受繞組端部的徑向作用力，以防止該力對繞組端部造成的變形及破壞。

綜上所述，我們認(rèn)為造成某電廠發(fā)電機(jī)定子鐵心松動的原因有以下幾點：

1）由于定子斜槽結(jié)構(gòu)，在鐵心最初疊壓時鐵心不能真正壓緊或壓緊力不均勻；

2）定子鐵心分瓣破壞了鐵心的整體性、定子鐵心軛部過窄，鐵心背部拉緊螺桿偏少、直徑偏?。粔褐竸傂圆畹葘?dǎo)致定子鐵心整體剛性太差以致最初鐵心疊壓時根本無法壓緊；

3）定子鐵心鴿尾筋與機(jī)座間預(yù)留熱膨脹間隙過小。之后，機(jī)組運行產(chǎn)生的鐵損和線圈的銅損使鐵心溫度上升發(fā)生熱膨脹，與常規(guī)立式水輪發(fā)電機(jī)相比，其散條件非常惡劣，而且因貫流機(jī)組運行時浸泡在水中，機(jī)座壁與鐵心之間溫差大，定子鐵心鴿尾筋與機(jī)座間預(yù)留熱膨脹間隙過小，導(dǎo)致鐵心熱膨脹后產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力在徑向受阻，鐵心只能軸向膨脹，從而致使鐵心波浪扭曲變形以致松動。

由于定子鐵心變形松動導(dǎo)致多處壓指出現(xiàn)間隙；發(fā)電機(jī)的起動停止及負(fù)載的不斷變化使鐵心的溫度高低發(fā)生變化，鐵心在徑向方向上反復(fù)的熱脹冷縮導(dǎo)致鐵心波浪扭曲變形加劇，也導(dǎo)致鐵心壓緊力慢慢的降低，在鐵心壓緊力反復(fù)降低的過程中，使本就疊壓不緊的鐵心松動逐漸加劇，鐵心的磁振動也隨著增大。隨著鐵心振動的增加，進(jìn)而造成定子鐵心局部變形更突出，這些反過來加大了不平衡磁拉力，從而進(jìn)一步加劇了定子鐵心的破壞。最終破壞定子槽內(nèi)線棒絕緣，導(dǎo)致更大的安全事故發(fā)生。

2 改造分析

針對上述問題和原因，建議重新設(shè)計制造定子，以杜絕由鐵心松動而引起的一系列不安全隱患，改進(jìn)措施如下：

1）加大定子鐵心外徑，即增大鐵心軛寬，從而提高鐵心整體剛度。

2）合理選擇單張沖片上的槽數(shù)即減小每張沖片弦長，從而增加整圓拉緊螺桿數(shù)量，并加大拉緊螺桿直徑。

3）增加每根線棒股線數(shù)，以減小定子電流密度；增加線棒股線絕緣厚度，并適當(dāng)加強(qiáng)線棒防暈層厚。

4）為適應(yīng)運輸條件定子機(jī)座可以采用分瓣結(jié)構(gòu)，但合縫面用大法蘭螺栓把合，現(xiàn)場封水焊，以增加機(jī)座剛性；不采用定子鐵心分瓣結(jié)構(gòu)，采用常規(guī)現(xiàn)場整圓疊片結(jié)構(gòu)取消合縫，以提升鐵心的整體性，進(jìn)而提高鐵心的剛度，圓度，避免鐵心分瓣合縫處引起的局部振動。

5）設(shè)計確定合適的鐵心與機(jī)座之間的間隙。

3 結(jié)論

燈泡式水輪發(fā)電機(jī)由于在電磁設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計上受到諸多限制，使得其運行環(huán)境必須優(yōu)于一般常規(guī)立式水輪發(fā)電機(jī)。因此，在徹底改造本機(jī)組設(shè)計制造的先天缺陷的同時，還應(yīng)對機(jī)組的運行工況，運行環(huán)境進(jìn)行有效改善，從而確保機(jī)組長期安全穩(wěn)定運行。

[1]白延年．水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計與計算[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[2]吉慶龍，魯建文，彭宏，等．安居電站燈泡式水輪發(fā)電機(jī)增容改造工藝[J]．東方電機(jī)，2005，33（3）：44-47,62.

[3]陳仰輝．大型燈泡式水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計特點[J]．電氣應(yīng)用，1985（1）：10-17.