范浩浩，陳 鋒，袁志明，任少婷，楊宗振

(中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司白鶴灘水力發(fā)電廠，四川 寧南 615400)

某水電站右岸地下廠房裝有若干臺(tái)立式水輪發(fā)電機(jī)組，轉(zhuǎn)子采用無(wú)軸結(jié)構(gòu)，由轉(zhuǎn)子支架(含轉(zhuǎn)子中心體)、磁軛、磁極等部件構(gòu)成。轉(zhuǎn)子上掛裝有56個(gè)磁極，單個(gè)磁極高度為3 866 mm，重約9 788 kg。額定工況下的勵(lì)磁電壓為495.3 V，勵(lì)磁電流為4 176 A。磁極為雙T尾結(jié)構(gòu)，極間連接分為磁極連接與阻尼連接，均采用彈性可拆卸連接結(jié)構(gòu)。阻尼連接的連接片采用銅帶軟連接，兩端用電阻熱壓工藝固緊兩端的柔性結(jié)構(gòu)，形狀規(guī)則、固緊密實(shí)、導(dǎo)電性能良好，在機(jī)械力和熱應(yīng)力作用下可產(chǎn)生一定變形且便于拆卸。極間連接采用彈性支撐螺釘加螺母組合成可拆卸連接結(jié)構(gòu)。

為防止離心力的周向分量在磁極線圈縱向產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，在相鄰兩個(gè)磁極L圍帶處設(shè)有支撐結(jié)構(gòu)。支撐結(jié)構(gòu)由L型鐵支撐板、U型絕緣墊板、支撐螺釘和螺母組成。在機(jī)組停機(jī)時(shí)相鄰兩個(gè)磁極間圍帶處通過(guò)支撐螺釘和螺母組合后相連并留有50 mm間隙，保證能不吊轉(zhuǎn)子而撥出磁極檢修的需要，同時(shí)轉(zhuǎn)子高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)磁極圍帶處支撐螺釘將相鄰磁極撐緊，保證磁極在運(yùn)轉(zhuǎn)中不發(fā)生位移、繞組變形等故障，確保機(jī)組設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。在某右岸地下電站首臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)磁極出廠試驗(yàn)過(guò)程中，多次發(fā)生磁極L圍帶處鐵支撐板對(duì)磁極線圈放電故障。放電點(diǎn)如圖1所示。

圖1 放電點(diǎn)圖

1 原因分析

1.1 故障現(xiàn)象

某右岸地下電站首臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極在哈爾濱電機(jī)廠(以下簡(jiǎn)稱(chēng)哈電)內(nèi)分兩批制造，磁極采用雙T尾結(jié)構(gòu)與磁軛連接。磁極鐵心采用由拉緊螺桿緊固的高強(qiáng)度薄鋼板制成，壓力疊裝，通過(guò)磁極上的T尾與磁軛上相應(yīng)的鍵槽掛接。磁極鐵心能保證裝配質(zhì)量，不允許疊加補(bǔ)償片，拉緊螺桿為42CrMo材質(zhì)，M39，長(zhǎng)度3 594 mm，每臺(tái)機(jī)組共336根。磁極繞組的絕緣符合GB755或IEC60034標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的“F”級(jí)絕緣[2]。磁極線圈采取帶散熱翅的無(wú)氧退火銅排四角焊接結(jié)構(gòu)，并呈螺旋狀套裝在磁極鐵心上。銅排截面積大，表面光潔，邊緣沒(méi)有鋸齒狀缺陷，各匝之間的連接采用銀焊工藝，匝間絕緣采用Nomex紙[3]，為了防止磁極匝間短路，哈電磁極繞組采用匝間絕緣與相鄰匝完全粘合且突出每匝銅線2 mm，增加了磁極線圈端部爬電距離。單個(gè)磁極裝配完成后，需在外表面噴環(huán)氧脂晾干紅瓷漆9130。磁極裝配如圖2所示。

圖2 磁極裝配示意圖

按照某右岸地下電站水輪發(fā)電機(jī)絕緣試驗(yàn)大綱要求，水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極在裝配完成后需進(jìn)行出廠前的電氣試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目包括絕緣電阻測(cè)試、直流電阻測(cè)試、短路阻抗試驗(yàn)、匝間脈沖試驗(yàn)及工頻(以下簡(jiǎn)稱(chēng)交流)交流耐壓試驗(yàn)。交流耐壓試驗(yàn)是考驗(yàn)被試品絕緣承受各種過(guò)電壓能力的有效檢測(cè)，對(duì)保證設(shè)備安全運(yùn)行具有重要意義，能真實(shí)有效的發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷。交流耐壓試驗(yàn)對(duì)于固體有機(jī)絕緣來(lái)說(shuō)屬于破壞性試驗(yàn)，它會(huì)使原來(lái)存在的絕緣弱點(diǎn)進(jìn)一步發(fā)展(但又未在耐壓時(shí)擊穿)，使絕緣強(qiáng)度逐漸降低，形成絕緣內(nèi)部劣化的累積效應(yīng)，這是我們所不希望的。因此，必須正確的選擇試驗(yàn)電壓的標(biāo)準(zhǔn)及耐壓試驗(yàn)時(shí)間[4]。哈電單個(gè)磁極出廠前交流耐壓試驗(yàn)電壓為6 453 V(10Uf+1 500 V，Uf為495.3 V)，耐壓1 min。在首批28個(gè)磁極進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)時(shí)，有2件磁極在還未達(dá)到規(guī)范所要求的電壓下發(fā)生了放電現(xiàn)象，且放電部位均在磁極L型圍帶處鐵支撐板R角。在進(jìn)行第二批28個(gè)磁極耐壓時(shí)，又有4件磁極同樣在未達(dá)到規(guī)范要求的電壓下發(fā)生了放電現(xiàn)象，此次放電部位均為磁極L型圍線圈槽內(nèi)。具體放電情況見(jiàn)表1。

表1 磁極L型圍帶處與磁極線圈放電情況表

1.2 查找原因

磁極L型圍帶支撐結(jié)構(gòu)包含U型絕緣墊板、L型鐵支撐板和浸膠滌綸氈等部分組成。浸膠滌綸氈墊在磁極線圈圍帶位置的槽內(nèi)，將磁極上、下兩件絕緣托板之間的線圈槽全部封蓋。然后裝U型絕緣墊板和L型鐵支撐板，L型鐵支撐板一端焊接在磁極鐵托板上，一端嵌入極靴中。滌綸氈浸的為室溫固話膠HEC56102。此結(jié)構(gòu)已成功運(yùn)用到深圳抽水蓄能電站(297.3 V)、黃登水電站(378.9 V)、溧陽(yáng)抽水蓄能電站(250.8 V)等水輪發(fā)電機(jī)和發(fā)電電動(dòng)機(jī)，現(xiàn)今運(yùn)行狀況良好，沒(méi)有發(fā)生任何問(wèn)題。從而可以排除因磁極圍帶結(jié)構(gòu)問(wèn)題導(dǎo)致放電這一因素。

隨后在廠內(nèi)對(duì)放電磁極L 型圍帶部位鐵支撐板脫焊后檢查，發(fā)現(xiàn)3號(hào)、6號(hào)磁極圍帶R角處有很明顯的放電痕跡；10號(hào)磁極圍帶部位因潮氣進(jìn)入后形成的大面積黑色發(fā)霉物質(zhì)且此處有部分膠未固化；35號(hào)、42號(hào)磁極圍帶處浸膠滌綸氈填充不到位且發(fā)生串動(dòng)；52號(hào)磁極圍帶處U型絕緣墊板側(cè)面有被重物碰撞后產(chǎn)生裂紋的痕跡。

通過(guò)對(duì)上述所有放電磁極的放電情況和放電部位進(jìn)行分析后得出引起磁極L圍帶處放電的主要原因?yàn)榇艠OL型圍帶處R角爬電距離不夠；銅排尖角與L型圍帶的放電距離偏?。唤^緣膠未固化、滌綸氈裝配位置偏移且絕緣托板與磁極銅排平齊或凹里時(shí)形成直接放電通道；磁極上、下絕緣托板縫隙中可能有灰塵等雜物；U型絕緣墊板抗壓能力差等綜合作用所致。具體分析如下。

1.3 絕緣距離不夠

按照某右岸地下電站水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣規(guī)范，磁極間支撐結(jié)構(gòu)或極間金屬?lài)鷰ЫY(jié)構(gòu)所用絕緣墊板采用環(huán)氧玻璃布層壓板HEC3242進(jìn)行加工，其對(duì)地放電距離≥30 mm。經(jīng)測(cè)量放電磁極L型圍帶處線圈槽尺寸為305 mm×115 mm(長(zhǎng)×寬)，深度為20 mm，鐵支撐板尺寸為310×90 mm，厚度為18 mm。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 4793.1-2007《測(cè)量、控制和實(shí)驗(yàn)室用電氣設(shè)備的安全要求第1部分：通用要求》中規(guī)定可知，額定電壓在交流300～600 V下材料最小爬電距離為3 mm[5]，經(jīng)計(jì)算鐵支撐板R角與線圈上端距離才2 mm，不滿足標(biāo)準(zhǔn)中的最小爬電距離，當(dāng)進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)容易引起鐵支撐板R角對(duì)磁極線圈放電。磁極線圈槽寬度為115 mm，鐵支撐板寬度為90 mm，磁極線圈槽兩邊與鐵支撐板距離僅為12.5 mm，不滿足耐壓試驗(yàn)的放電距離，容易造成磁極L圍帶兩側(cè)銅排發(fā)生尖端放電。

1.4 絕緣膠未固化

經(jīng)了解廠內(nèi)磁極裝配情況得知磁極圍帶支撐位置的絕緣膠最早的設(shè)計(jì)是滌綸氈浸中溫固化膠，該批次磁極制造中期為了減少進(jìn)爐次數(shù)將中溫膠更改為室溫固化膠。所以，該批次磁極在此位置同時(shí)存在兩種類(lèi)型的膠。滌綸氈浸中溫膠是直接采購(gòu)的，而滌綸氈浸的室溫膠是在廠內(nèi)浸的。未固化的膠為室溫膠，可能是固化劑未攪拌均勻?qū)е碌?。同時(shí)磁極在轉(zhuǎn)運(yùn)和貯存以及環(huán)境潮濕時(shí)可能會(huì)有潮氣進(jìn)入圍帶支撐位置從而導(dǎo)致放電。

1.5 磁極裝配工藝不到位

經(jīng)研究磁極L型圍帶處放電痕跡和放電部位，放電方為滌綸氈填充不到位，短一層線圈的長(zhǎng)度，同時(shí)，在極靴側(cè)有灰塵積壓。通過(guò)交流，在U型絕緣墊板下墊的浸膠滌綸氈裝配位置偏移，存在墊不到絕緣托板的情況。放電位置浸膠滌綸氈填充不到位，導(dǎo)致線圈銅排裸露。同時(shí)，線圈上的凹槽位置正常高于線圈3 mm 的絕緣托板存在與線圈銅排平齊或低于線圈的情況。主要原因是絕緣托板裝配時(shí)向一側(cè)偏斜，導(dǎo)致一側(cè)絕緣托板凸出線圈，另一側(cè)線圈凸出絕緣托板。絕緣托板與磁極銅排平齊或凹里時(shí)形成直接放電通道。從35號(hào)磁極放電情況看，基本上與上述描述相符。

1.6 U型絕緣墊板有裂紋

磁極支撐板經(jīng)脫焊后發(fā)現(xiàn)磁極L型鐵支撐與線圈之間在裂紋位置形成直接放電通道，最終在潮氣、灰塵、雜質(zhì)等綜合作用下導(dǎo)致放電，U型絕緣墊板被擊穿。

查閱哈電采購(gòu)規(guī)范得知U型絕緣墊板材料采用環(huán)氧酚醛層壓玻璃布板HEC3242。理論上，在這種電壓水平下，厚度為8 mm環(huán)氧酚醛層壓玻璃布絕緣板不會(huì)被擊穿。經(jīng)檢查U型絕緣墊板，發(fā)現(xiàn)絕緣墊板有裂紋，從受力方面分析，絕緣墊板有裂紋位置不受力。從裂紋位置分析，開(kāi)裂位置為絕緣墊板側(cè)面，裂紋方向?yàn)閷訅悍较颍撐恢每辜羟心芰^弱。但沒(méi)有較大沖擊外力也是不可能開(kāi)裂的?？紤]到有裂紋的U型絕緣墊板僅僅是個(gè)別現(xiàn)象，所以判斷裂紋是由于制造、轉(zhuǎn)運(yùn)、裝配等過(guò)程中的磕碰導(dǎo)致的。

2 處理對(duì)策

2.1 加包繞絕緣和擴(kuò)槽

對(duì)鐵支撐板R部位繞包絕緣材料并將支撐板兩側(cè)切割掉2.5 mm，增大與磁極線圈槽的放電距離。對(duì)R部位包繞絕緣時(shí)先半疊包繞兩層云母帶(桐馬環(huán)氧玻璃粉云母帶)，再半疊繞包繞兩層纖維帶(無(wú)堿玻璃纖維帶)；繞包絕緣過(guò)程中需將無(wú)堿玻璃纖維帶、環(huán)氧玻璃粉云母帶浸室溫固化膠(雙組份無(wú)溶劑室溫固化膠)，并將多余膠清除；包繞時(shí)需將無(wú)堿玻璃纖維帶、環(huán)氧玻璃粉云母帶捋順平滑進(jìn)行疊繞至少繞包5層；繞包絕緣后表面無(wú)起邊，無(wú)氣泡，無(wú)堿帶繞包后尾端需粘貼在支撐板R彎型內(nèi)側(cè)；保證近T尾側(cè)包云母帶過(guò)轉(zhuǎn)角30 mm。包繞結(jié)束后需靜至24 h，使膠固化。包繞范圍如3圖示。最后采取對(duì)磁極線圈L圍帶銅排兩側(cè)加開(kāi)8 mm×8 mm槽的措施，增加銅排尖角與L型圍帶的放電距離。

2.2 控制絕緣膠涂刷工藝

嚴(yán)格按照《HEC56102室溫?zé)o溶性劑涂刷膠應(yīng)用工藝守則》進(jìn)行使用；HEC56102膠的A、B組分需充分混合攪拌均勻，尤其注意需要將掛在包裝盒壁上的膠和固化劑都要刮落下來(lái)，多方向反復(fù)攪動(dòng)(上下、內(nèi)外、順時(shí)針、逆時(shí)針等)，確?；旌暇鶆?；配膠時(shí)嚴(yán)格按照廠家包裝配比，不得擅自調(diào)整固化劑用量，不得擅自加入其他溶劑類(lèi)物質(zhì)；如現(xiàn)場(chǎng)溫度過(guò)低，濕度過(guò)大，要采取一定的加熱措施；每盒HEC56102膠必須留小樣驗(yàn)證固化情況，做好標(biāo)記與磁極編號(hào)對(duì)應(yīng)并記錄，做到可追溯。

圖3 R角處包絕緣示意圖

2.3 安裝工藝優(yōu)化

磁極圍帶部位線圈槽內(nèi)墊一層1 mm厚浸HEC56102膠的滌綸氈，然后在槽內(nèi)先墊一層刷HEC56102膠的0.25 mm Nomex紙。極靴側(cè)Nomex紙插入絕緣托板和鐵心間隙中(無(wú)間隙可不插入)，T尾側(cè)需墊到絕緣托板板厚，再墊1～2 mm厚浸HEC56102膠的滌綸氈，T尾側(cè)滌綸氈需墊到絕緣托板板厚，極靴側(cè)滌綸氈需墊過(guò)絕緣托板直到鐵心，需保證U型絕緣墊板和絕緣托板無(wú)間隙，可采用不同厚度的滌綸氈，保證滌綸氈無(wú)串動(dòng)現(xiàn)象。最后在磁極L型圍帶線圈槽四周及極靴間隙處填充HEC52107納米改性環(huán)氧膩?zhàn)?，保證雜物不進(jìn)入間隙。優(yōu)化方案見(jiàn)圖4所示。

圖4 磁極優(yōu)化方案圖

2.4 優(yōu)化U型絕緣墊板設(shè)計(jì)

鑒于U型絕緣墊板可能產(chǎn)生磕碰裂紋，為確保發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)行安全性，將對(duì)U型絕緣墊板進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，材料更改為環(huán)氧玻璃坯布?jí)褐萍﨟EC3242P。在哈電絕緣試驗(yàn)室分別對(duì)原層壓絕緣墊板與優(yōu)化后的模壓絕緣墊板的抗壓能力進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果為模壓墊板斷裂部位與壓具形狀相同，層壓墊板整個(gè)側(cè)山斷裂。模壓絕緣墊板側(cè)山壓裂時(shí)壓力值65.85 kN，層壓絕緣墊板側(cè)山壓裂時(shí)壓力值是15.75 kN。同時(shí)將模壓U型絕緣墊板在距離地面1 m處進(jìn)行多次抗摔試驗(yàn)，沒(méi)有出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，層壓U型絕緣墊板在距離地面1 m處進(jìn)行抗摔試驗(yàn)，第一次就在絕緣墊板側(cè)面出現(xiàn)了裂紋。綜上試驗(yàn)得出優(yōu)化后的U型絕緣墊板在制造工藝上采用整體壓制，性能更穩(wěn)定，不易產(chǎn)生裂紋。模壓U型絕緣墊板抗裂性能遠(yuǎn)優(yōu)于層壓U型絕緣墊板。

3 結(jié) 語(yǔ)

某巨型水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)及裝配工藝上采用的是類(lèi)似于國(guó)內(nèi)某些抽水蓄能發(fā)電機(jī)磁極裝配工藝，雖然此結(jié)構(gòu)在這些抽水蓄能發(fā)電機(jī)上至今運(yùn)行良好，但此結(jié)構(gòu)首次運(yùn)用在某右岸地下電站水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極上，磁極L型圍帶極間支撐部位設(shè)計(jì)及裝配工藝上還存在一些不足，在首批磁極出廠交流耐壓試驗(yàn)中多次出現(xiàn)磁極圍帶處放電故障，分析該故障發(fā)生的原因，從磁極L圍帶裝配工藝上提出合理的優(yōu)化對(duì)策，從而解決磁極圍帶處絕緣性能差導(dǎo)致放電故障[6]。

為確保發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定運(yùn)行。某巨型水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極仍需在運(yùn)行中檢驗(yàn)并不斷優(yōu)化完善，提高其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及裝配工藝水平。