李德紅
(1.武漢大學(xué),湖北 武漢 430072;2.緊水灘水力發(fā)電廠,浙江 麗水 323000)
緊水灘水電站總裝機容量300 MW,共6臺水輪發(fā)電機組,單機容量為50 MW,機組于1986年~1988年陸續(xù)投產(chǎn)發(fā)電。發(fā)電機的型號為SF-K50-30/6400,定子鐵心外徑6 400 mm,內(nèi)徑5 760 mm,高度1 500 mm。定子鐵心與機座采用鋼性結(jié)構(gòu)連接,9塊齒壓板連接,108根M42拉緊螺桿,54根定位筋。鐵心整圓由27張扇形硅鋼片疊裝而成,硅鋼片厚0.5 mm,上、下端與盒形壓齒鉚接的墊片厚0.8 mm。鐵心共有324槽,26層通風(fēng)槽將鐵心分為27疊段,通風(fēng)槽高10 mm,通風(fēng)槽鋼為工字形。發(fā)電機通風(fēng)方式為雙路徑向封閉自循環(huán)通過系統(tǒng),轉(zhuǎn)子無風(fēng)扇結(jié)構(gòu)。
2005年1月19日,緊水灘水電站6號發(fā)電機在停機過程中發(fā)生定子接地故障,經(jīng)查故障點為B相下層分支31號槽線棒接地。隨后在發(fā)電機大修解體檢查中發(fā)現(xiàn)在31至42槽間的下端第1片硅鋼片(除0.8 mm墊片)向內(nèi)滑出,31槽滑出7 mm,42槽滑出2 mm。拔出線棒在31槽內(nèi)硅鋼片的一個角滑入線槽,硅鋼片滑出割破31號槽下層線棒絕緣層,引起B(yǎng)相接地故障。
2009年9月8日,用內(nèi)窺鏡對6號機定子鐵心進行檢查。定子原來處理過的31~43槽硅鋼片正常,無明顯滑出現(xiàn)象。319~19槽硅鋼片存在明顯的滑出現(xiàn)象,其中最為明顯為324、18、19槽的硅鋼片,滑出長度2~3 mm。檢查鐵心外側(cè)靠近鴿尾筋處,發(fā)現(xiàn)硅鋼片的鴿尾槽角邊在鴿尾筋側(cè)彎曲變形。
2009年6月8日,2號發(fā)電機在開機過程中發(fā)生定子接地故障,經(jīng)檢查故障點B相上分支150號槽下層線棒下端部接地。隨后機組大修中解體檢查,發(fā)現(xiàn)在139至151槽間的下端第一片硅鋼片向內(nèi)滑出,滑出長度約6 mm,硅鋼片滑出割破150號槽下層線棒絕緣層,引起B(yǎng)相接地故障。同時發(fā)現(xiàn)其他部位定子下端第一片硅鋼片也存在向內(nèi)少量滑出,在152至181槽間滑出約1.5~2 mm;在231至242槽間滑出約0.5~0.8 mm;在1至43槽間滑出約1~2 mm;在51~110槽間滑出約0.5~1 mm。
檢查鐵心后面靠近鴿尾筋處,發(fā)現(xiàn)硅鋼片的鴿尾槽角邊在鴿尾筋側(cè)彎曲,對此分析為硅鋼片向內(nèi)滑動時,角邊被鴿尾筋擋住,硅鋼片向內(nèi)滑動力較大,硅鋼片的鴿尾槽角邊受壓失穩(wěn)彎曲變形。
2009年底,對1、3、4、5號機定子鐵心進行檢查。 發(fā)現(xiàn)1號機定子鐵心有3處硅鋼片滑出現(xiàn)象,向內(nèi)滑出約1~1.5 mm。4號機定子鐵心有2處最下端5~6片硅鋼片不整齊,有錯位現(xiàn)象,錯位約1 mm,發(fā)現(xiàn)在鐵心67~91槽下端第一片硅鋼片滑移方向與其他相反,整片往外側(cè)滑移,滑移達4~5 mm。35號機定子鐵心檢查未發(fā)現(xiàn)異常情況。
從定子鐵心硅鋼片滑出現(xiàn)象看,發(fā)生在鐵心下端第1片硅鋼片 (不算0.8 mm墊片)處,大部分向內(nèi)滑出,只有4號機定子有一處向外滑出,滑出處硅鋼片的鴿尾槽角邊在鴿尾筋側(cè)彎曲變形。發(fā)電機鐵心在工作狀態(tài),其受力較復(fù)雜,包括溫度升降的熱脹冷縮力、鐵心壓緊的摩擦力、定位筋與鴿尾槽的間的阻擋力、電磁力、振動產(chǎn)生的力等。硅鋼片滑出必須克服摩擦力、鴿尾筋的阻擋力和切割線棒絕緣的力,此力要非常大。
3.2.1 定子鐵心通風(fēng)與溫度分析
發(fā)電機通風(fēng)方式為雙路徑向封閉自循環(huán)通過系統(tǒng),發(fā)電機原設(shè)計在上機架和下機架上設(shè)計有上擋風(fēng)板和下?lián)躏L(fēng)板,由于機組安裝時各種原因,發(fā)電機并沒有安裝下?lián)躏L(fēng)板。根據(jù)機組投產(chǎn)初的 《發(fā)電機通風(fēng)及溫升試驗報告》,測量了鐵心通風(fēng)道的風(fēng)速和鐵心各疊段尾部溫度,如圖1所示,發(fā)現(xiàn)發(fā)電機鐵心風(fēng)道的風(fēng)速存在兩個特點:一是中間段風(fēng)速最高,上端風(fēng)速略低,下端風(fēng)速最低;二是曲線的各峰值正好對應(yīng)著轉(zhuǎn)子磁軛風(fēng)道,而中間最高的峰值向上端偏移。說明定、轉(zhuǎn)子間隙上端安裝了上擋風(fēng)板,上端的風(fēng)損?。幌露藳]有安裝下?lián)躏L(fēng)板,下端風(fēng)損大,使上端比下端的風(fēng)速、風(fēng)壓大。從溫度曲線看,發(fā)電機定子鐵心溫度是個不均勻的溫度場,呈現(xiàn)兩端高,中間低的現(xiàn)象,鐵心溫度與鐵心通風(fēng)道的風(fēng)速有關(guān)。
3.2.2 鐵心端部溫度測量分析
由于原埋設(shè)的鐵心測溫裝置離鐵心上、下端有一定距離,不能反應(yīng)鐵心上、下端頭的溫度,特別是不能反應(yīng)硅鋼片滑出位置鐵心溫度。2009年7月,對緊水灘水電站2號發(fā)電機大修線棒處理中,在鐵心第140槽上、下端埋入熱電耦,測量鐵心上、下端部溫度的測試。測量空載和帶符合試驗測量鐵心端部溫度如表1所示。
圖1 發(fā)電機鐵心風(fēng)速及溫度對比曲線
表1 發(fā)電機鐵心溫度
由試驗數(shù)據(jù)可知,鐵心下端溫度比上端溫度高,且發(fā)電機額定負荷時,溫差最大達到19.80℃。加減勵磁時鐵心下端的溫度上升非???,盒形壓指的溫度比鐵心的溫度高11℃,定子的盒形壓齒為碳鋼,導(dǎo)磁較好,轉(zhuǎn)子磁極在此處的漏磁較大,盒形壓齒產(chǎn)生的渦流的,發(fā)熱量大。
3.2.3 產(chǎn)生鐵心溫差大的原因分析
(1)鐵心上、下端溫差大,說明上、下端通風(fēng)效果差異大。下端沒有安裝下?lián)躏L(fēng)板,下端風(fēng)損大,是一主要原因。
(2)自從電站AGC調(diào)節(jié)方式投運后,發(fā)電機的開停機次數(shù)大幅增加,年平均開機次數(shù)由原來的400次猛增到1 000多次,其中6號發(fā)電機最多開機次數(shù)為2005年的1 760次。頻繁的開停機制動器加閘制動產(chǎn)生了大量的粉塵。檢查機組定子轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁軛內(nèi)側(cè)通風(fēng)槽入口被粉塵封堵嚴重,制動器在轉(zhuǎn)子下面,因此轉(zhuǎn)子下部通風(fēng)槽入口封堵更嚴重,導(dǎo)致通風(fēng)不暢。
(3)在定子鐵心上、下端,只靠盒形牙齒的通孔通風(fēng),其他被線棒固定綁扎材料擋住,因此鐵心上、下端通風(fēng)散熱效果差。
2010年1月,在6號機大修中,對該定子鐵心拉緊螺桿進行抽查,判斷鐵心是否松動,檢查采用松開拉緊螺桿上端螺帽的方法,用百分表檢測拉緊螺桿的伸長度變化,核對伸長值是否符合設(shè)計要求。抽查6根拉緊螺桿,分別位于硅鋼片滑出位置和未出現(xiàn)滑出位置。比較6只螺桿的測量數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)鐵心硅鋼片滑出部位的螺桿伸長值相對較小,而未出現(xiàn)滑出部位的螺桿伸長值相對較大,如表2所示。從數(shù)據(jù)看硅鋼片滑出與鐵心松動無關(guān)。
表2 鐵心拉緊螺桿伸長量檢查數(shù)據(jù)
由于緊水灘水電站發(fā)電機下端沒有安裝下?lián)躏L(fēng)板,下端風(fēng)損大,加上鐵心上、下端通風(fēng)差,導(dǎo)致中間段風(fēng)速最高,上端風(fēng)速略低,下端風(fēng)速最低,使鐵心各部散熱不均勻,鐵心呈現(xiàn)中部溫度低、上端溫度高、下端溫度更高的現(xiàn)象。機組運行時鐵心各部溫度不均勻,產(chǎn)生不均勻熱脹冷縮應(yīng)力,鐵心下端溫差最大,熱脹冷縮應(yīng)力差也最大。開機后鐵心溫度上升,鐵心下端溫度上升相對快,鐵心下端與鐵心上部及定子機座存在溫差,開始徑向和周向熱脹。下端第1片硅鋼片與墊片受壓指的約束,徑向熱脹受限,以周向熱脹并局部向下變形為主;而第2片以上硅鋼片周向熱脹變形受限,以徑向熱脹為主,造成第1片與第2片硅鋼片相對滑動。停機后鐵心溫度下降,下端溫度降幅大向內(nèi)收縮,下端第1片硅鋼片受上部硅鋼片收縮帶動向內(nèi),而墊片受壓指限制,造成下端第1片硅鋼片與墊片相對滑動。電站AGC投運后,機組頻繁啟停,鐵心熱脹冷縮應(yīng)力變化更頻繁。下端第1片硅鋼片交變熱應(yīng)力作用下向內(nèi)滑移,克服摩擦力、鴿尾筋的阻擋力,滑出割破線棒絕緣,導(dǎo)致線棒接地故障。
對2號機和6號機進行處理時,對硅鋼片滑出引起接地區(qū)域的線棒進行更換,對硅鋼片滑出量較大,推算已割破墊條并開始割損線棒絕緣層的線棒也進行更換。對線槽進行處理,拆出舊線棒后對硅鋼片滑入槽內(nèi)部分進行切除、磨平,使槽位平整,清掃干凈后涂上絕緣漆。對滑出區(qū)域底層幾片硅鋼片進行輔助加固,用不銹鋼制作了專用的止動拉勾,鉤住硅鋼片前端,拉勾焊接固定在盒形壓齒內(nèi),增加硅鋼片徑向阻力。
重新加裝下檔風(fēng)板,下?lián)躏L(fēng)板通過調(diào)整螺桿固定在下機架和基礎(chǔ)上,主要材料為TM-199間苯型樹脂,下?lián)躏L(fēng)與定子間靠耐熱橡膠板密封,耐熱橡膠板綁扎在下?lián)躏L(fēng),以保證風(fēng)道密封。
每年發(fā)電機定期檢修中,對定子、轉(zhuǎn)子的通風(fēng)溝進行全面檢查清掃,特別是轉(zhuǎn)子支架內(nèi)的進風(fēng)槽口清掃,保證風(fēng)道通暢。定期對1~6號機發(fā)電機定子進行檢查,通過內(nèi)窺鏡檢查下層硅鋼片,拍照測算比對,分析硅鋼片滑移變化情況。
發(fā)電機下檔風(fēng)板未安裝時,空氣間隙的漏風(fēng)比較大,大部分直接回到轉(zhuǎn)子,漏風(fēng)向下在定子下部風(fēng)道形成風(fēng)簾,影響空冷器出口冷風(fēng)回流到轉(zhuǎn)子。發(fā)電機下檔風(fēng)板重新加裝后,空載開機試驗,觀察定子下部通風(fēng)情況,與其它機組比較,空冷器出口冷風(fēng)通過定子下部風(fēng)道回到轉(zhuǎn)子的風(fēng)量明顯增大。
緊站6號機大修后運行試驗,帶負荷運行20 h后,停機10 min內(nèi)對部分鐵心后側(cè)進行了紅外線測溫 (見表3),儀器為紅外線點溫儀。同時采用同樣的方法對緊站2號機鐵心后側(cè)進行了紅外線測溫(見表4),便于比較。6號機、2號機鐵心紅外測溫數(shù)據(jù)如下,考慮到兩臺機測量時環(huán)境溫差為6℃,折算后溫度基本相當。從數(shù)據(jù)看2號機鐵心上、下兩端的溫度高于中部鐵心的溫度,而下端的溫度比上端要高。對比6號機加裝下?lián)躏L(fēng)板后下端的溫度比上端要低。
表5為1月~8月1、3、4、6號機組定子鐵心溫升對比,6號機組于2010年3月增加下?lián)躏L(fēng)板,由表中數(shù)據(jù)分析可知,6號發(fā)電機定子下部安裝擋風(fēng)板后,鐵心下部溫度上升幅度明顯小于鐵心上部和中部。而1、3、4號機鐵心上、中、下部溫度上升幅度相近,還是下部上升偏大,說明6號發(fā)電機定子下部鐵心最高運行溫度下降明顯。
表3 6號機定子鐵心紅外測溫數(shù)據(jù) ℃
表4 2號機定子鐵心紅外測溫數(shù)據(jù) ℃
緊水灘電站6號運行半年后,檢查發(fā)電機鐵心下端部,硅鋼片未發(fā)現(xiàn)明顯的繼續(xù)滑出趨勢,由于時間短還需進一步觀察。
表5 2010年1、3、4、6號機組定子鐵心溫升對比 ℃
緊水灘水電站發(fā)電機定子硅鋼片徑向滑出原因比較復(fù)雜,影響因素應(yīng)該是多方面的,分析可能不全面?,F(xiàn)階段通過加裝下?lián)躏L(fēng)板、加裝專用的止動拉勾、加強定轉(zhuǎn)子清掃力度等手段,從溫度來看取得了較好的效果,硅鋼片是否繼續(xù)滑出還需進一步驗證。另外盒形壓齒發(fā)熱、鐵心端部通風(fēng)差等問題必須通過技術(shù)改造來解決。