蒲石河抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)磁極線圈匝間開裂問題分析與處理

張 法，苗彩鳳，王海龍，王書楓

(1． 國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司回龍分公司，河南南陽 473000； 2. 官地水力發(fā)電廠，四川成都 610000；3. 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

2017年4月25日，蒲石河電廠在對(duì)發(fā)電電動(dòng)機(jī)進(jìn)行檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁極線圈有開匝現(xiàn)象。磁極線圈開匝現(xiàn)象均出現(xiàn)在磁極鐵心T尾和極靴處的首末匝位置。該位置也正好是轉(zhuǎn)子磁極線圈用于極間連接而引出的地方，如圖1所示。

圖1 磁極線圈匝間開匝圖

1 原因分析

1.1 極間連接結(jié)構(gòu)介紹

蒲石河發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組采用U型極間連接片相互連接，屬于剛性連接。U型極間連接片中間部位包繞絕緣后利用開有凹槽的鋼支撐板限位，再用鋼板蓋在極間連接片上，最終用螺栓把緊，止動(dòng)墊片將螺栓鎖定。極間連接結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

圖2 極間連接俯視圖

圖3 極間連接剖視圖

1.2 初步分析

從線圈開匝的現(xiàn)象看，T尾端向內(nèi)側(cè)開裂，極靴端向外側(cè)開裂。未斷開極間連接片時(shí)最大裂縫達(dá)到7 mm左右，最小不到1 mm。斷開極間連接片后，磁極線圈引出部位回彈，最大裂縫減小到3 mm左右。這說明極間連接片連接處存在一個(gè)向開裂方向的徑向力，正是這個(gè)徑向力導(dǎo)致線圈開匝。

1.2.1 力的來源分析

從理論設(shè)計(jì)角度分析，磁極線圈引出線正常情況下僅受離心力的作用。離心力的方向?yàn)檠刂睆椒较蛳蛲?。?duì)于T尾側(cè)來說，離心力的方向與開匝方向相反，所以，離心力不是導(dǎo)致開匝的原因。

極間連接片與磁極線圈的引出銅排連接采用的是螺栓把緊，該力為軸向力，只會(huì)在接觸部位產(chǎn)生接觸應(yīng)力，不會(huì)對(duì)線圈產(chǎn)生影響。

從安裝角度分析，用于極間連接片限位用的支撐板焊接在磁軛上壓板上，磁軛的疊片公差一般為0～+4 mm，也就是說磁軛上壓板會(huì)比實(shí)際高出2 mm左右。如果加上支撐板本身的制造公差和極間連接片包繞絕緣的實(shí)際公差，那么，極間連接片與磁極線圈引出銅排的連接處可能存在最大4 mm左右的間隙A，如圖4所示。

圖4 安裝間隙A和徑向力B示意圖

理論上講，應(yīng)該通過配加工支撐板使此間隙A不存在。但經(jīng)了解，在實(shí)際操作過程中，由于工期緊張，沒有對(duì)該間隙引起足夠重視，直接用螺栓把緊。

由于磁極線圈引出銅排剛度較大，強(qiáng)制把緊過程中產(chǎn)生了一個(gè)B向徑向力。該力對(duì)線圈開匝部位產(chǎn)生彎矩力。此力對(duì)磁極線圈引出線根部影響較大。

1.2.2 有限元計(jì)算分析

為了驗(yàn)證間隙A對(duì)開裂的影響，我們建立了有限元計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算分析，如圖5、圖6所示。

圖5 T尾側(cè)計(jì)算模型

圖6 極靴側(cè)計(jì)算模型

模型中，將開裂最低端作為底面全約束，把合位置施加向上，大小為0.5 mm、1.0 mm、2.0 mm、4.0 mm的強(qiáng)制位移條件，模擬把合時(shí)的配合間隙。

對(duì)應(yīng)0.5 mm、1.0 mm、2.0 mm、4.0 mm的強(qiáng)制位移，計(jì)算線圈徑向變形和徑向力大小的最終結(jié)果見表1。

表1 線圈徑向變形和徑向力大小的數(shù)據(jù)結(jié)果

1.2.3 結(jié)論

磁極線圈引出線自身的離心力較小，并且和產(chǎn)生開裂的方向相反，所以可以排除此原因。

從有限元計(jì)算結(jié)果看，極間連接片和磁極線圈連接處的間隙越大，開裂越大，開裂的徑向力也越大。4 mm間隙時(shí)的模擬計(jì)算結(jié)果和實(shí)際開匝的最大尺寸吻合。所以，可以判斷，在安裝初期，由于極間連接片和磁極線圈連接處存在間隙，并且強(qiáng)制把合。這樣會(huì)在磁極線圈引出線根部存在一個(gè)有開裂趨勢(shì)的內(nèi)應(yīng)力。該內(nèi)應(yīng)力不足以立刻引起匝間開裂。但由于蓄能機(jī)組頻繁啟停機(jī)，每天高達(dá)10次，在反復(fù)啟停過程中，磁極本身在離心力作用下會(huì)有微變形，也會(huì)在磁極線圈引出線根部產(chǎn)生小應(yīng)力，疊加內(nèi)應(yīng)力，最終疲勞開裂。

2 問題處理

由于機(jī)組目前不具備大修條件，所以只能臨時(shí)處理。我們提出了對(duì)變形較大的銅排矯形修復(fù)后，對(duì)開裂部位進(jìn)行絕緣材料填充縫隙的粘接處理方案。修復(fù)所用材料為室溫?zé)o溶劑涂刷膠HEC56102和Nomex紙。

3 總結(jié)

磁極線圈是為整個(gè)水輪發(fā)電機(jī)提供旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的的關(guān)鍵部件，同時(shí)也是旋轉(zhuǎn)部件。一旦產(chǎn)生較嚴(yán)重的開匝現(xiàn)象，可能會(huì)在旋轉(zhuǎn)過程中甩出，造成嚴(yán)重的后果。所以應(yīng)重視該問題的發(fā)生。

蒲石河磁極線圈極間連接引出部位較短，剛度較大，一旦在磁極線圈引出線位置產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，就可能產(chǎn)生線圈開匝現(xiàn)象。比如說磁極鍵沒有打緊、磁極線圈引出線把合面平面度很差、存在間隙等。

為保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，我們提出了以下建議：

(1) 檢查建議

應(yīng)定期對(duì)修復(fù)后的磁極開裂部位進(jìn)行跟蹤檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并處理。

(2) 安裝建議

蒲石河項(xiàng)目與其他類似機(jī)組的極間連接片支撐結(jié)構(gòu)不同，沒有墊片調(diào)節(jié)極間連接片的高度。所以，在安裝過程中需要通過配加工支撐底部去調(diào)整極間連接片的高度，從而使極間連接片和磁極線圈連接處的安裝間隙為零。