王超羽

（中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津300222）

萬家寨水電站水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心溢出及改造的必要性分析

王超羽

（中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津300222）

萬家寨水電站水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心溢出造成安全隱患，影響到機(jī)組的安全運(yùn)行。對定子鐵心溢出的原因進(jìn)行分析，并對定子改造的必要性進(jìn)行論證，供發(fā)電機(jī)改造參考。

水輪發(fā)電機(jī)；定子；鐵心；溢出；線棒；絕緣；穿心螺桿

1 工程概況

黃河萬家寨水利樞紐位于黃河北干流上段托克托至龍口峽谷河段內(nèi)，是黃河中游開發(fā)的第一級，其主要任務(wù)是供水結(jié)合發(fā)電調(diào)峰、防洪、防凌。樞紐水電站安裝6臺單機(jī)額定容量180MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1 080MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量27.5億kW·h。

萬家寨水利樞紐由水利部、山西省、內(nèi)蒙古自治區(qū)三方共同投資。1998年11月28日第1臺機(jī)組發(fā)電，1999年8月7日和12月23日2、3號機(jī)組順利投產(chǎn)發(fā)電，到2000年12月后續(xù)3臺機(jī)組也全部并網(wǎng)發(fā)電，投入商業(yè)運(yùn)營。

萬家寨水電站屬于華北和內(nèi)蒙古蒙西電力系統(tǒng)，電站調(diào)峰大大改善了系統(tǒng)供電質(zhì)量，向系統(tǒng)提供了綠色清潔能源，節(jié)能減排效益顯著。

萬家寨水電站1—4號水輪機(jī)及6臺調(diào)速器由天津阿爾斯通公司成套供貨；5、6號水輪機(jī)由上海福伊特西門子水電設(shè)備有限公司（原上海?？乒荆┏商坠┴洠还姽境袚?dān)6臺發(fā)電機(jī)的成套供貨。水輪機(jī)主要參數(shù)見表1，發(fā)電機(jī)主要參數(shù)見表2。

表1 水輪機(jī)主要參數(shù)

表2 發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

2 水輪發(fā)電機(jī)檢修發(fā)現(xiàn)問題及臨時(shí)處理措施

萬家寨水電站第1臺機(jī)組（1號機(jī)）自1998年發(fā)電，至今已經(jīng)安全運(yùn)行15年，其他機(jī)組也安全運(yùn)行十多年。隨著機(jī)組運(yùn)行年限的延長，機(jī)組設(shè)備過流部件、電氣設(shè)備等部位均不同程度地出現(xiàn)裂紋、磨蝕、銹蝕、老化等缺陷，機(jī)組安裝或產(chǎn)品本身固有的一些隱性缺陷也開始逐步暴露顯現(xiàn)。機(jī)組大修發(fā)現(xiàn)的主要問題是發(fā)電機(jī)定子鐵心溢出，比較嚴(yán)重的是3、4、5號機(jī)組。

在2010年4月25日—6月25日進(jìn)行的4號機(jī)組第二輪大修過程中，首次檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子鐵心溢出問題。拆除全部定子線棒后檢查發(fā)現(xiàn)鐵心裝配質(zhì)量較差，鐵心波浪度嚴(yán)重超差，上下端鐵心很松?，F(xiàn)場進(jìn)行了鐵心的波浪度、緊度及長度的測量。測量數(shù)據(jù)反映出鐵心把緊前齒部波浪度15mm，超差5mm，且相鄰鐵心長度尺寸相差較大，最嚴(yán)重的問題是齒部比軛部長度平均大4mm，以此推算靠定位筋處的軛部要比齒部長度小8mm左右。

4號機(jī)組定子鐵心溢出，使線棒絕緣破損，甚至造成絕緣擊穿，嚴(yán)重威脅電站的運(yùn)行安全。在4號機(jī)組大修期間，采用“拆除全部線棒—線棒修復(fù)（部分返廠、部分現(xiàn)場修復(fù)）—溢出鐵心修銼—鐵心專項(xiàng)壓緊—加裝不銹鋼檔片—線棒回裝”的臨時(shí)處理方案進(jìn)行了定子鐵心溢出專項(xiàng)處理，以使機(jī)組能夠正常運(yùn)行。采用同樣的方法，結(jié)合3、5號機(jī)大修對其定子鐵心溢出均進(jìn)行了處理，花費(fèi)了大量的人力、物力。

3 水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心溢出原因初步分析

根據(jù)萬家寨電站3、4、5號機(jī)出現(xiàn)的問題，初步分析定子鐵心出現(xiàn)溢出、翹曲等問題的主要原因是機(jī)組安裝過程中定子鐵心壓緊度不夠、波浪度較大造成的。定子鐵心經(jīng)長期運(yùn)行后逐漸出現(xiàn)松動(dòng)，并且在不斷熱脹冷縮中出現(xiàn)鐵心端片溢出及翹曲等問題。具體原因分析如下：

（1）定子鐵心定位筋弦距超差較大，造成定子沖片疊裝過程中定位筋發(fā)卡，鐵心沖片不能有效壓緊，造成波浪度超差。

（2）水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心軸向壓緊采用的是背部拉緊螺桿壓緊結(jié)構(gòu)，拉緊力是由齒壓板分別作用于鐵心和機(jī)座，拉緊螺桿的拉緊力只有一部分作用于鐵心，且鐵心受力點(diǎn)集中在鐵心外側(cè)，使鐵心沖片壓緊時(shí)外側(cè)受力大、內(nèi)側(cè)受力小，該結(jié)構(gòu)不利于鐵心齒部壓緊。機(jī)組經(jīng)過長期運(yùn)行可能出現(xiàn)鐵心松動(dòng)的問題。

（3）萬家寨水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低、定子直徑較大，機(jī)組運(yùn)行時(shí)定子鐵心與機(jī)座間存在較大的熱應(yīng)力，鐵心松動(dòng)到一定程度時(shí)波浪度逐漸加大，使鐵心產(chǎn)生翹曲問題，鐵心損耗、振動(dòng)變大，并逐步加劇。

（4）按當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)規(guī)范定子鐵心單位片間壓力較小，鐵心容易出現(xiàn)松動(dòng)問題。

（5）當(dāng)時(shí)定子沖片采用的是環(huán)氧有機(jī)漆，鐵心未采用蝶形彈簧壓緊結(jié)構(gòu)，鐵心壓緊及測量工具落后，機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間后沖片漆膜變薄，出現(xiàn)鐵心松動(dòng)問題。

綜合上述分析，萬家寨發(fā)電機(jī)定子鐵心溢出有其本體結(jié)構(gòu)的原因，也有安裝質(zhì)量問題。

4 水輪發(fā)電機(jī)定子改造的必要性分析

3、4、5號機(jī)定子鐵心溢出問題十分嚴(yán)重，已經(jīng)影響到機(jī)組的安全運(yùn)行。盡管萬家寨水電站花費(fèi)了大量時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，結(jié)合機(jī)組大修，對定子鐵心溢出的安全隱患進(jìn)行了臨時(shí)性處理，但臨時(shí)處理方案只是針對定子鐵心溢出部位進(jìn)行打磨、線棒拆除并進(jìn)行絕緣修復(fù)、鐵心重新壓緊、端部鐵心加不銹鋼擋片限位處理，只能維持機(jī)組短期運(yùn)行，并沒有對定子鐵心端片溢出的安全隱患進(jìn)行全面根治，機(jī)組還存在諸多安全問題和隱患。

（1）由于鐵心變形較大和局部翹曲變形嚴(yán)重，雖然專項(xiàng)處理時(shí)對定子鐵心進(jìn)行了重新壓緊，但因?yàn)殍F心沒拆，定位筋弦距誤差無法調(diào)整，所以波浪度仍然偏大、嚴(yán)重超標(biāo)，臨時(shí)性處理方案無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。定子鐵心存在電磁振動(dòng)加大、損耗、發(fā)熱增大及發(fā)電機(jī)效率降低等問題，而這些問題將進(jìn)一步加劇鐵心翹曲的安全隱患。

（2）定子鐵心不僅徑向變形大，在圓周方向也存在較大變形，且臨時(shí)性方案無法徹底處理，同時(shí)存在圓周方向鐵心突出擠壓破壞定子線棒絕緣問題。

（3）從4號機(jī)測量數(shù)據(jù)可以看出定子鐵心齒部比軛部長度偏大約4mm，靠定位筋處的軛部要比齒端部長度小8mm左右，齒脹嚴(yán)重，此次鐵心專項(xiàng)處理沒有拆除鐵心，所以無法解決齒脹問題。齒脹是引起機(jī)組運(yùn)行中鐵心松動(dòng)的主要原因，因此存在鐵心進(jìn)一步松動(dòng)的可能性。

（4）3、4、5號機(jī)鐵心端部加裝不銹鋼擋片的臨時(shí)處理方案，使發(fā)電機(jī)長期運(yùn)行可能存在因鐵心振動(dòng)造成片間短路及鐵心燒損的隱患。

（5）原來的鐵心壓緊結(jié)構(gòu)沒有改變，上述臨時(shí)處理方式?jīng)]有從根本上改變鐵心整體受力不均勻的問題，所謂治標(biāo)不治本，經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行，還會(huì)出現(xiàn)類似問題，安全隱患依然存在。

（6）發(fā)電機(jī)定子線棒有現(xiàn)場修復(fù)、返廠修復(fù)、重新訂制三種類型。線棒現(xiàn)場修復(fù)工藝影響因素較多，不能保證其達(dá)到原設(shè)計(jì)要求；返廠修復(fù)線棒僅做絕緣更換處理。現(xiàn)場修復(fù)、返廠修復(fù)的線棒均是舊線棒，本就存在固有絕緣老化，反復(fù)拆裝對線棒絕緣造成損傷的可能性很大，老化與拆裝的聯(lián)合作用對線棒絕緣壽命會(huì)有較大影響，線棒運(yùn)行存在一定的隱患。

萬家寨電站3、4、5號機(jī)組定子鐵心溢出程度相近，鐵心局部翹曲變形十分嚴(yán)重。按照目前的處理方式，不能徹底解決定子鐵心翹曲變形和波浪度超標(biāo)以及鐵心齒脹問題，存在鐵心進(jìn)一步松動(dòng)、端片繼續(xù)溢出并損傷線棒的隱患。同時(shí)，存在發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中鐵心電磁振動(dòng)加大、損耗增大及發(fā)電機(jī)效率降低等問題。

若發(fā)電機(jī)不經(jīng)處理繼續(xù)運(yùn)行，線棒絕緣將進(jìn)一步受鐵心突出片的損傷，隨時(shí)都會(huì)發(fā)生定子接地事故，事故進(jìn)一步發(fā)展致使發(fā)電機(jī)相間短路，從而發(fā)生定子繞組及定子鐵心燒毀的惡性事故，并將可能波及到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等部分的安全。

同時(shí)，由于定子鐵心溢出使得大修時(shí)間延長2個(gè)月，耗費(fèi)大量的人力、物力，影響機(jī)組發(fā)電，趕上黃河豐水年必然造成較大的電量損失。

綜上所述，發(fā)電機(jī)定子改造勢在必行。

5 結(jié)語

萬家寨水電站水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心溢出造成線棒絕緣受損，影響機(jī)組的安全運(yùn)行，發(fā)電機(jī)檢修耗時(shí)長，使檢修費(fèi)用增加，應(yīng)引起水電同行的高度重視。大中型水輪發(fā)動(dòng)機(jī)定子鐵心應(yīng)采用穿心螺桿和碟形彈簧壓緊結(jié)構(gòu)，為減小定子鐵心由于受熱膨脹而產(chǎn)生熱應(yīng)力，疊片時(shí)用雙鴿尾筋定位，兩端用定子齒壓板及穿心拉緊螺桿將鐵心牢固地夾緊，以防止鐵心松動(dòng)。定子組裝時(shí)應(yīng)高度重視組裝工藝、質(zhì)量，精益求精，把定子鐵心的翹曲變形減至最小，確保定子鐵心運(yùn)行后的圓度，避免定子鐵心溢出現(xiàn)象，確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

TV734.2+1；TM312

B

1004-7328（2014）06-0059-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2014.06.022

2014-07-12

王超羽（1968-），男，高級工程師，主要從事水力機(jī)械專業(yè)設(shè)計(jì)工作。