水電機(jī)組定子硅鋼片位移故障分析與處理

傅軍

摘 要：闡述了緊水灘機(jī)組定子鐵芯底部硅鋼片位移的特點(diǎn)和位移量，結(jié)合定子端部磁場(chǎng)和鐵芯溫度的分布規(guī)律，分析了硅鋼片位移的起始原因，即硅鋼片溫度的不均勻分布乃至局部過(guò)熱，而該型機(jī)組鐵芯的結(jié)構(gòu)使得硅鋼片均勻壓緊難度大，在機(jī)座振動(dòng)和電磁力的作用下，硅鋼片位移量不斷加大，當(dāng)松動(dòng)的硅鋼片固有頻率與某段頻率的電磁力存在共振關(guān)系時(shí)，就會(huì)引起磁固耦合雙重共振，使得位移呈跳躍性擴(kuò)大而危及定子線棒絕緣。另外，還介紹了故障的處理方法，提出了在設(shè)計(jì)、安裝等方面防范此類故障的措施和建議。`

關(guān)鍵詞：端部磁場(chǎng);鐵芯溫度;硅鋼片位移;磁固耦合;故障處理

0 引言

緊水灘水電站位于浙南甌江干流龍泉溪段，共有6臺(tái)50 MW的SF-K50-30/6400型混流式機(jī)組，分別于1987—1988年投運(yùn)。自2005年起，先后有5臺(tái)機(jī)組定子鐵芯底部的硅鋼片出現(xiàn)不同程度的位移問(wèn)題，而隨著多年來(lái)對(duì)問(wèn)題機(jī)組定子鐵芯及線棒的整體改造，目前硅鋼片位移的問(wèn)題已從根本上得到解決。本文試從定子端部磁場(chǎng)、定子溫度的分布特征、鐵芯結(jié)構(gòu)和磁固耦合共振等方面分析其形成及擴(kuò)大的原因，并介紹有效的故障處理方法，以供參考。

1 故障描述

該型機(jī)組的定子共324槽，雙路徑向封閉自循環(huán)通風(fēng)方式。硅鋼片外徑6 400 mm，內(nèi)徑5 760 mm，高度1 500 mm，硅鋼片整圓由27張扇形硅鋼片疊裝，有108根拉緊螺桿，54根定位筋。

有5臺(tái)機(jī)組的定子鐵芯都曾出現(xiàn)過(guò)不同程度的硅鋼片位移問(wèn)題，共同點(diǎn)是都在定子鐵芯最底下的一層發(fā)生硅鋼片內(nèi)圓徑向位移，不同的是位移的量為3～7 mm不等，位移的槽也不相同。

最嚴(yán)重的是6號(hào)和2號(hào)機(jī)組，曾發(fā)生過(guò)定子單相接地故障。其中6號(hào)機(jī)組檢查后發(fā)現(xiàn)定子第31槽的下層線棒有一條長(zhǎng)約10 mm、深約6 mm的割痕，棒與槽間的半導(dǎo)體漆布和墊條被割破，硅鋼片的內(nèi)圓徑向位移約7 mm，其軛部有明顯的過(guò)熱和放電痕跡，而逆時(shí)針?lè)较虻南噜徆桎撈嘤猩倭康膹较蛭灰啤?/p>

2號(hào)機(jī)組的情況與6號(hào)機(jī)組大同小異，其他3臺(tái)機(jī)組雖未發(fā)生定子接地故障，但都發(fā)現(xiàn)了不同程度的硅鋼片位移現(xiàn)象。

圖1和圖2分別是硅鋼片位移和變形的實(shí)圖。

硅鋼片產(chǎn)生位移與變形的現(xiàn)象，與其所處環(huán)境的電磁力、振動(dòng)大小以及溫度冷熱不勻有關(guān)。

2 定子鐵芯磁場(chǎng)分布及溫度實(shí)測(cè)

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，水輪發(fā)電機(jī)定子端部的磁場(chǎng)分布規(guī)律為：磁密以邊段鐵芯處最大，壓指次之，壓圈最小，隨著端面徑向尺寸的增大，磁密逐漸減小。

定子鐵芯各部位的溫度高低主要取決于該部位漏磁場(chǎng)的大小，而漏磁場(chǎng)引起的磁滯損耗和渦流損耗與漏磁密的平方成正比。

根據(jù)定子端部的磁場(chǎng)分布規(guī)律及水電機(jī)組定子鐵芯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，沿定子軸向長(zhǎng)度溫度最大的為定子硅鋼片的端邊段、定子齒壓板和定子壓圈三個(gè)部位;而沿定子邊段硅鋼片徑向溫度最大的為端部壓指頂、邊段硅鋼片的齒部位置，即位于鐵芯端部的硅鋼片齒部位置溫度最高。

而機(jī)組在運(yùn)行時(shí)，位于鐵芯底部的硅鋼片，由于通風(fēng)條件差、積垢多而散熱性差，是定子鐵芯溫度最高的部位。

圖3所示為DL700CE型紅外測(cè)溫儀檢測(cè)到的定子鐵芯溫度分布圖，其中位于槽底近轉(zhuǎn)子側(cè)的Area01區(qū)溫度最高，達(dá)到92.9 ℃，和分析的結(jié)果相吻合。

區(qū)域Area02的最高溫度為80.5 ℃、Area03的最高溫度為88.2 ℃、Area04的最高溫度為78.8 ℃，周圍鐵芯溫度最低為51.6 ℃，最大溫差值達(dá)41.3 ℃，該時(shí)間段的環(huán)境溫度為25.9 ℃。

3 硅鋼片初始位移的產(chǎn)生

硅鋼片溫度的不均勻分布乃至局部過(guò)熱，會(huì)導(dǎo)致定子硅鋼片位移與變形。

由文獻(xiàn)[2]可知，水輪發(fā)電機(jī)的硅鋼片內(nèi)外溫度差20 ℃時(shí)，此時(shí)硅鋼片內(nèi)圓徑向位移變化在0.65～1.3 mm，硅鋼片中間部位的位移較小，兩端位移大。以環(huán)境溫度20 ℃為基準(zhǔn)，溫度每升高5 ℃，硅鋼片內(nèi)圓徑向位移變化0.44 mm。

依此計(jì)算，機(jī)組運(yùn)行時(shí)，鐵芯本體溫差最大值達(dá)41.3 ℃，和環(huán)境溫度的差值更是高達(dá)67 ℃，位于槽底的硅鋼片內(nèi)圓徑向位移估算值有5.7 mm之多。

硅鋼片過(guò)熱后，片間的漆膜會(huì)由于溫升而老化并逐漸收縮，在硅鋼片間形成微小的不均勻間隙，運(yùn)行多年的機(jī)組，則可能存在多個(gè)部位的定子鐵芯硅鋼片片間間隙。

在定子鐵芯結(jié)構(gòu)方面，該型機(jī)組用于壓緊定子硅鋼片的盒形壓齒，僅有一半長(zhǎng)度位于機(jī)座上，另一半為懸臂梁結(jié)構(gòu)。螺栓壓緊時(shí)，軛部受力較大，齒部受力較小。在齒端張力的作用下，靠近齒根的壓力大，靠近齒端的壓力小，因此硅鋼片在安裝時(shí)均勻壓緊的難度較大。

綜上所述，溫度高、片間間隙大、壓緊力不均勻的鐵芯底部硅鋼片，在電磁力、振動(dòng)等外力的長(zhǎng)期作用下，容易產(chǎn)生位移及位移累增。

硅鋼片位移后，使得該部位鐵芯的內(nèi)圓徑向伸出長(zhǎng)度增加，漏磁增大，溫升增大，繼而硅鋼片位移加速。

4 磁固耦合共振與硅鋼片位移擴(kuò)大

某個(gè)部位的硅鋼片位移，使得該部位的定、轉(zhuǎn)子間氣隙發(fā)生變化，氣隙的變化使得發(fā)電機(jī)偏心磁拉力顯著加大，硅鋼片受力后振動(dòng)加劇，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致硅鋼片位移松動(dòng)及變形。

松動(dòng)的硅鋼片，其固有振動(dòng)頻率在一定范圍內(nèi)變化，出現(xiàn)接近于激勵(lì)頻率的低階固有頻率。低階的固有振動(dòng)頻率與發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)頻率相耦合時(shí)，會(huì)使得電磁力的頻譜成分變得很豐富。

若某段電磁力頻譜與硅鋼片低階固有振動(dòng)頻率存在共振關(guān)系時(shí)，將激發(fā)危險(xiǎn)的磁固耦合雙重共振及次生的亞諧共振或超諧共振，共振的最大幅值比工程實(shí)際允許的最大幅值要大幾十倍到上百倍[3]。

磁固耦合雙重共振使得松動(dòng)的硅鋼片成為一個(gè)非線性振動(dòng)系統(tǒng)，位移速度呈跳躍性增大，導(dǎo)致定子繞組絕緣被磨損、電化腐蝕現(xiàn)象加劇，若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，即會(huì)造成定子單相接地故障。