陸 勝，常玉紅，李建光，朱慶龍

（1.華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司，浙江省安吉縣 313302；2.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；3.山西西龍池抽水蓄能電站有限責(zé)任公司，山西省忻州市 035503）

0 引言

相對(duì)于常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組而言，抽水蓄能機(jī)組轉(zhuǎn)速高、工況轉(zhuǎn)換及啟停頻繁，定子繞組及端部引線的長度較長，其端部受力情況更為復(fù)雜。若繞組端部和端箍、固定支架結(jié)構(gòu)不合理，或綁扎不牢固，運(yùn)行時(shí)繞組端部和端箍之間容易因振動(dòng)發(fā)生相對(duì)位移并導(dǎo)致主絕緣的磨損。

本文介紹了天荒坪抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組端部主絕緣在運(yùn)行中出現(xiàn)磨損、端箍松動(dòng)的檢查情況，通過現(xiàn)場測量定子繞組端部的固有頻率，分析缺陷產(chǎn)生的原因，根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和現(xiàn)場實(shí)際情況提出了整改加固方案，以及消缺改造的過程，對(duì)同類型發(fā)電電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)維階段需關(guān)注的要點(diǎn)提出了建議。

1 缺陷概況

天荒坪抽水蓄能電站位于浙江省安吉縣境內(nèi)，屬日調(diào)節(jié)、純抽水蓄能電站，裝有6臺(tái)單機(jī)容量為300MW的可逆式水輪發(fā)電機(jī)組，額定轉(zhuǎn)速500r/min，于1998年9月至2000年12月間投產(chǎn)。

2002年11月，天荒坪抽水蓄能電站在2號(hào)機(jī)（1998年12月投產(chǎn)）定檢時(shí)發(fā)現(xiàn)部分定子繞組端部與端箍綁扎處有淡黃色油泥狀（見圖1）或粉末狀物質(zhì)，對(duì)其清整干凈后，下次在后續(xù)的定檢和檢修時(shí)仍有類似現(xiàn)象。2004年2號(hào)機(jī)檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象在數(shù)量和程度上均有發(fā)展的趨勢，且部分綁扎的玻璃絲帶有松動(dòng)，用手即可搖動(dòng)。清洗缺陷處發(fā)現(xiàn)線棒與玻璃絲綁帶間有縫隙，其中169槽的下層線棒下端部與端箍單的綁帶已完全松開，線棒與滌綸適形墊接觸面的主絕緣已發(fā)生磨損，磨損的最大深度約3.5mm。后對(duì)其他機(jī)組也進(jìn)行了針對(duì)性檢查，發(fā)現(xiàn)也存在類似的現(xiàn)象，情況沒有2號(hào)機(jī)嚴(yán)重。運(yùn)行單位對(duì)淡黃色油泥狀物質(zhì)取樣委托進(jìn)行灼燒殘留物分析，試驗(yàn)結(jié)果表明其主要成分為硅、鋁、鈣等物質(zhì)，與玻璃及云母的主要成分基本吻合。結(jié)合缺陷的現(xiàn)象和試驗(yàn)結(jié)果基本可以判斷該物質(zhì)為線棒表面的絕緣與綁扎的玻璃絲帶相互摩擦產(chǎn)生的粉末，如遇到油霧則會(huì)呈油泥狀。

2 原因查找與分析

定子線棒端部引線的固有頻率測量及調(diào)整對(duì)于隱極發(fā)電機(jī)來說是重要的、也是極為關(guān)鍵的工作。如果線棒端部引線的固有頻率落在95～108Hz的“共振區(qū)”，將會(huì)加劇線棒端部振動(dòng)的幅值，容易使綁扎松脫、線棒主絕緣磨損，因振動(dòng)還可導(dǎo)致機(jī)械疲勞引起的股線斷裂，嚴(yán)重的故障將引發(fā)端部相間短路事故。GB 20140—2016 《隱極同步發(fā)電機(jī)定子繞組端部動(dòng)態(tài)特性和振動(dòng)測量方法及評(píng)定》對(duì)隱極機(jī)的相關(guān)測量及評(píng)定有明確規(guī)定。但對(duì)于常規(guī)水電機(jī)組由于轉(zhuǎn)速低、定子線棒和端部引線的長度短，其固有頻率不太可能落入“共振區(qū)”，制造廠一般較少考慮其固有頻率對(duì)線棒端部振動(dòng)的影響。大型高水頭抽水蓄能機(jī)組的轉(zhuǎn)速相對(duì)較高，定子繞組和端部引線相對(duì)較長（與汽輪發(fā)電機(jī)接近），端部引線的固有頻率相對(duì)常規(guī)水電機(jī)組可能偏低。為驗(yàn)證這個(gè)判斷，運(yùn)行單位委托試驗(yàn)單位對(duì)6臺(tái)機(jī)組進(jìn)行了線棒端部引線固有頻率的測量，測量結(jié)果見圖2和圖3。

結(jié)果顯示：6臺(tái)機(jī)組均有部分線棒端部的固有頻率落在“共振區(qū)”，2號(hào)機(jī)尤為突出，這與2號(hào)機(jī)的缺陷情況最嚴(yán)重也是吻合的。通過該試驗(yàn)可以認(rèn)為導(dǎo)致定子端部綁扎松動(dòng)和絕緣磨損的主要原因是定子端部引線的固有頻率在“共振區(qū)”加劇了其振動(dòng)的幅值，長期運(yùn)行后造成線棒與綁帶及端箍之間的相對(duì)位移和摩擦。

圖1 2號(hào)機(jī)下端部端箍綁扎磨損照片F(xiàn)ig．1 Shows the wear of the lower end of the unit 2

圖2 6臺(tái)機(jī)組定子繞組下端部固有頻率測試結(jié)果Fig．2 The results of the natural frequency test of the lower end of the stator winding of 6 units

圖3 6臺(tái)機(jī)組定子繞組下端部固有頻率測試結(jié)果Fig．3 The results of the natural frequency test of the upper end of the stator winding of 6 units

圖4 定子繞組下端部固定結(jié)構(gòu)示意圖Fig．4 The fixed structure diagram of the lower end of stator winding

通過現(xiàn)場察看及對(duì)缺陷現(xiàn)象的分析，認(rèn)為導(dǎo)致2號(hào)機(jī)定子線棒端部固有頻率偏低的原因主要有以下兩點(diǎn)：

2.1 端箍與支架、線棒間的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子端部支撐偏薄弱

端箍支架由垂直焊于定子磁壓板上的槽鋼和絕緣塊組成，絕緣塊支撐于槽鋼與端箍之間（如圖4所示）。絕緣塊通過一顆徑向螺栓與槽鋼固定，端箍與下層線棒間隙用浸膠適形墊填充，再用浸膠無緯玻璃絲帶十字交叉進(jìn)行綁扎，理論上待膠固化后線棒與端箍及定子鐵芯形成一個(gè)整體。槽鋼與磁壓板間是點(diǎn)支撐，相當(dāng)于懸臂梁的結(jié)構(gòu)。如果槽鋼的剛度不夠，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)受機(jī)組本身振動(dòng)及線棒熱脹冷縮等因素的影響，槽鋼本身極易發(fā)生振動(dòng)，且離支點(diǎn)越遠(yuǎn)的部位振動(dòng)幅值越大。通過對(duì)現(xiàn)場缺陷部位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，缺陷主要集中于遠(yuǎn)離定子鐵芯的那道端箍。絕緣支撐塊是一種脆性材料，用金屬螺栓與槽鋼間采用徑向的螺栓連接，如果連接部位振動(dòng)較大，絕緣支撐塊的螺紋容易發(fā)生磨損，從而使支撐塊與槽鋼間的連接松動(dòng)，最終導(dǎo)致端箍失去剛性支撐。在檢查中發(fā)現(xiàn)部分支撐塊與支架槽鋼間的連接螺栓滑牙。

2.2 線棒端部綁線質(zhì)量控制不嚴(yán)

天荒坪抽水蓄能電站定子端部綁線采用傳統(tǒng)工藝：用浸膠的無緯玻璃絲帶十字交叉拉緊綁扎，環(huán)氧樹脂膠固化收縮后玻璃絲帶與端箍、線棒端部形成一個(gè)整體，從而提高端部的強(qiáng)度和剛度。在施工過程中需要作業(yè)人員與各級(jí)驗(yàn)收人員嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)：如果玻璃絲和滌綸適形墊浸膠時(shí)間過短，可能會(huì)存在浸膠不充分；綁扎手工拉緊時(shí)玻璃絲帶流膠未補(bǔ)膠；綁扎拉緊力度不夠或打結(jié)方式不正確可能會(huì)導(dǎo)致固化后綁線與端箍間有間隙。這些都會(huì)影響綁扎固化后最終的強(qiáng)度。在固有頻率測量試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)2號(hào)機(jī)定子上、下端部固有頻率的均值比其他機(jī)組明顯偏低且處于95～108Hz的“共振區(qū)”，落在“共振區(qū)”的線棒數(shù)量最多，固有頻率的一致性最差。在后續(xù)消缺處理時(shí)也發(fā)現(xiàn)2號(hào)機(jī)部分綁扎處的玻璃絲帶及部分適形墊浸膠不充分，導(dǎo)致線棒與端箍間未形成剛性支撐。據(jù)調(diào)查，在機(jī)電安裝階段，2號(hào)機(jī)的安裝單位與其他5臺(tái)機(jī)組不一樣，不同的質(zhì)量控制可能導(dǎo)致安裝質(zhì)量上的差異。

3 消缺處理

在缺陷原因基本查明后，運(yùn)行單位對(duì)2號(hào)機(jī)定子上、下端部的端箍全部進(jìn)行了重新綁扎。在固定結(jié)構(gòu)和綁扎工藝上做了一些改進(jìn)：

（1）在定子繞組下端部增加一道斜邊支撐，使得線棒間的一體性更好。同時(shí)有效縮短了線棒端部引線的自由長度，提高了引線的剛度，進(jìn)而提高其固有頻率，使其固有頻率能避開倍頻的“共振區(qū)”。

（2）改進(jìn)端箍與支架、支架與絕緣支撐塊的連接方式，并增加支架的數(shù)量。在槽鋼支架與定子鐵芯磁壓板間焊一根角鋼作斜向支撐，組成類似桁架結(jié)構(gòu)，提高支架的穩(wěn)定性和剛度。將支架與絕緣支撐塊的徑向連接螺栓改為沿圓周方向的切向連接，減少支撐塊螺栓松脫的可能性，將運(yùn)行時(shí)端箍所受的力傳遞到支架上。沿端箍圓周方向均勻增加了一倍的支架數(shù)量。通過支架的改進(jìn)，使端箍通過支撐塊和支架與發(fā)電電動(dòng)機(jī)的機(jī)架形成一個(gè)整體。改進(jìn)后的定子端部固定結(jié)構(gòu)示意圖見圖5。

圖5 定子繞組下端部綁線改進(jìn)結(jié)構(gòu)示意圖Fig．5 Schematic diagram of the fixed structure of the lower end of the stator windings

（3）施工時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行制造廠的施工工藝，在綁帶的浸膠量、打結(jié)的方式、固化時(shí)間等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行檢查和驗(yàn)收，確保綁扎工藝的一致性。

2號(hào)機(jī)定子端部固定結(jié)構(gòu)改進(jìn)并重新綁扎后，整個(gè)定子端部的剛度及一體性都有了較大提高，現(xiàn)場實(shí)測定子線棒端部引線的固有頻率，均值與處理前相比有大幅提高，且一致性也有很大提升，基本都高于108Hz，大大改善線棒的運(yùn)行條件。后續(xù)又對(duì)其他機(jī)組的端箍支架進(jìn)行增加和改造，有磨損松動(dòng)的綁扎進(jìn)行拆除重綁。如圖6所示為2號(hào)機(jī)定子下端部處理過程及后續(xù)運(yùn)行中固有頻率的變化趨勢。

4 經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)

針對(duì)天荒坪抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組端部異常磨損松動(dòng)的缺陷原因分析與處理改造的過程，有以下幾點(diǎn)需總結(jié)和反思：

圖6 2號(hào)機(jī)定子下端部固有頻率測試結(jié)果Fig．6 The results of the natural frequency test of the lower end of the stator of the unit 2 processing and after processing

（1）運(yùn)維人員在定檢和檢修時(shí)檢查認(rèn)真細(xì)致，對(duì)于細(xì)小的異常不放過，在缺陷發(fā)現(xiàn)的初期就引起重視，并進(jìn)行跟蹤和試驗(yàn)。在缺陷有發(fā)展時(shí)及時(shí)組織相關(guān)專業(yè)人士進(jìn)行原因分析和查找，根據(jù)缺陷原因提出消缺處理方案，在缺陷成為“事故”之前將之消除。

（2）對(duì)高水頭大型抽水蓄能機(jī)組而言，制造廠在設(shè)計(jì)定子端部的綁扎固定方式時(shí)應(yīng)充分考慮其轉(zhuǎn)速高、工況轉(zhuǎn)換頻繁特點(diǎn)，選用合適的結(jié)構(gòu)，減小繞組端部引線振動(dòng)的幅值，并盡可能避開“共振區(qū)”。在安裝過程中考慮進(jìn)行定子繞組端部引線固有頻率和端部整體模態(tài)試驗(yàn)。有條件的機(jī)組可以安裝定子繞組端部振動(dòng)在線檢測裝置，密切監(jiān)視端部的振動(dòng)及其變化情況。

（3）應(yīng)加強(qiáng)基建安裝過程中施工質(zhì)量檢查、驗(yàn)收和管理。作業(yè)人員在工作中須嚴(yán)格按規(guī)范進(jìn)行操作，充分發(fā)揮監(jiān)理及各級(jí)驗(yàn)收人員的作用，減少人為因素造成的施工質(zhì)量問題。

（4）在改造和消缺處理后，由于運(yùn)行中交變電磁力、熱應(yīng)力、工況轉(zhuǎn)換時(shí)的沖擊力等固然存在，定子端部的振動(dòng)狀態(tài)不可能是一成不變的。從圖6也可以看出，2號(hào)機(jī)在處理結(jié)束運(yùn)行4年和6年后，其定子繞組端部的固有頻率均值又呈下降趨勢。因此運(yùn)行單位在運(yùn)維過程中需對(duì)定子端部的綁扎固定重點(diǎn)關(guān)注：在機(jī)組定檢和檢修時(shí)，檢查綁扎位置有無磨損和粉末，檢查支架和絕緣支撐塊的固定螺栓，必要時(shí)進(jìn)行端部引線的固有頻率測量，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)進(jìn)行處理。

5 結(jié)束語

高水頭、大容量抽水蓄能機(jī)組發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組及端部引線長，啟停頻繁，定子繞組端部的受力情況復(fù)雜，制造廠在設(shè)計(jì)和制造階段應(yīng)對(duì)定子繞組端部的固定方式引起重視，避免其端部的固有頻率落入“共振區(qū)”；在安裝施工階段，應(yīng)嚴(yán)格工藝管理，確保安裝質(zhì)量；在運(yùn)維階段，應(yīng)定期對(duì)定子繞組端部的固定進(jìn)行針對(duì)性檢查，從各個(gè)環(huán)節(jié)減少定子繞組端部綁扎松動(dòng)導(dǎo)致主絕緣磨損的可能性，確保設(shè)備安全可靠運(yùn)行。

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