風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子幾字形導(dǎo)電排熔斷故障原因分析及改造

閆云強(qiáng)

（國(guó)電電力內(nèi)蒙古新能源開(kāi)發(fā)有限公司，呼和浩特 010040）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電中，發(fā)電機(jī)是風(fēng)電機(jī)組的核心設(shè)備，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子在發(fā)電過(guò)程中起到重要作用，而引出線(xiàn)是將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子三相電流引至變頻器的重要部件之一，發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)電排將受到離心力、電磁力和熱應(yīng)力等綜合作用力[1]，因此轉(zhuǎn)子導(dǎo)電排結(jié)構(gòu)的可靠性對(duì)發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

本文針對(duì)某2 MW風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)電排熔斷故障，通過(guò)查找故障原因，從設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、制造工藝等方面[2]，提出一種新型導(dǎo)電排結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行改造，成功解決了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子幾字形導(dǎo)電排熔斷問(wèn)題。

1 故障概況

某日，某2 MW風(fēng)電機(jī)組B13機(jī)組報(bào)網(wǎng)側(cè)變流器故障，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)變頻器、發(fā)電機(jī)編碼器、集電環(huán)、碳刷等進(jìn)行檢查，均無(wú)異常，隨后打開(kāi)發(fā)電機(jī)觀(guān)察孔，對(duì)轉(zhuǎn)子導(dǎo)電排進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)導(dǎo)電排熔斷。該發(fā)電機(jī)導(dǎo)電排為幾字形，通過(guò)絕緣壓塊固定在轉(zhuǎn)軸上，用螺栓與硅橡膠電纜固定連接[3]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 導(dǎo)電排結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)熔斷情況Fig.1 Conducting bar structure and field fusing fault

2 故障原因分析

轉(zhuǎn)子導(dǎo)電排出現(xiàn)熔斷故障，主要從導(dǎo)電排結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、導(dǎo)電排制造工藝和導(dǎo)電排材質(zhì)性等能幾個(gè)方面進(jìn)行排查[4]。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

導(dǎo)電排結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮三個(gè)方面：電流密度、機(jī)械強(qiáng)度和工藝性[5]。

2.1.1 電流密度

2 MW發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子額定電流為589 A，導(dǎo)電排銅母線(xiàn)規(guī)格（厚×寬）5.6 mm×25 mm，額定工況下電流密度為4.21 A/mm2。導(dǎo)電排規(guī)格選型與轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈規(guī)格一致，導(dǎo)電排的電流密度能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2.1.2 機(jī)械強(qiáng)度

導(dǎo)電排正常運(yùn)行時(shí)受到綜合力作用，包括熱應(yīng)力、離心力、加速度引起的慣性力、電磁力、振動(dòng)力等，其中熱應(yīng)力和離心力為主要作用力[6]。采用有限元方法分析導(dǎo)電排結(jié)構(gòu)在熱應(yīng)力和離心力作用下的機(jī)械性能。

計(jì)算三維模型和載荷約束情況見(jiàn)圖2。假定導(dǎo)電排結(jié)構(gòu)無(wú)損傷。

圖2 三維模型和載荷約束圖Fig.2 3D Model and load constraint diagram

邊界條件：在模型上邊界面和右邊界面各自定義完全固定約束。

載荷條件：模型整體施加2500 r/min的離心力，導(dǎo)電排施加192℃的溫度荷載。

導(dǎo)電排參數(shù)：銅母線(xiàn)密度8900 kg/m3，彈性模量110 GPa，泊松比0.33，熱脹系數(shù)1.8×10-5/℃，抗拉強(qiáng)度224 MPa。

導(dǎo)電排Mises應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖3。計(jì)算結(jié)果表明，導(dǎo)電排最大應(yīng)力為80.1 MPa，出現(xiàn)在折彎處，小于材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度224 MPa。導(dǎo)電排的機(jī)械強(qiáng)度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖3 Mises應(yīng)力分布云圖Fig.3 Mises stress distribution cloud chart

2.1.3 工藝性

導(dǎo)電排材質(zhì)為硬態(tài)（TMY）銅母線(xiàn)，銅和銅合金母線(xiàn)的寬邊彎曲，彎曲半徑不宜過(guò)小，彎曲表面不應(yīng)出現(xiàn)裂紋。

導(dǎo)電排彎曲半徑為2.5 mm，彎曲半徑較小，彎制時(shí)工藝難度增大，出現(xiàn)工藝性損傷的風(fēng)險(xiǎn)較大，因此工藝性較差。

2.2 制造工藝

轉(zhuǎn)子導(dǎo)電排出現(xiàn)故障后，組織相關(guān)人員對(duì)導(dǎo)電排加工工藝和加工質(zhì)量進(jìn)行了調(diào)查分析，故障機(jī)組使用的導(dǎo)電排采用折邊機(jī)沖壓成型制造工藝，存在缺陷[7]，模具倒角很小，導(dǎo)電排成型后彎角處存在明顯壓痕，如圖4所示，導(dǎo)電排加工質(zhì)量較差。

圖4 采用折邊機(jī)壓制成型的工藝方法成型后導(dǎo)電排Fig.4 Conducting bars formed by pressing and forming process with flanging machine

導(dǎo)電排在成型過(guò)程中產(chǎn)生了壓痕，采用有限元方法分析存在壓痕工藝性損傷的導(dǎo)電排在熱應(yīng)力和離心力作用下的機(jī)械性能[8]。假設(shè)導(dǎo)電排在成型過(guò)程中產(chǎn)生了0.1 mm深的裂紋，通過(guò)幾何模型計(jì)算，無(wú)/有壓痕導(dǎo)電排的應(yīng)力云圖如圖5所示，壓痕對(duì)導(dǎo)電排最大應(yīng)力影響的對(duì)比分析結(jié)果見(jiàn)表1。

圖5 無(wú)/有壓痕導(dǎo)電排應(yīng)力云圖Fig.5 Stress cloud chart of conducting bar without/with indentation

表1 壓痕對(duì)導(dǎo)電排最大應(yīng)力影響對(duì)比結(jié)果Tab.1 Comparison results of the effect of indentation on maximum stress conducting bar

從有限元分析結(jié)果可以看出，存在壓痕時(shí)，導(dǎo)電排最大應(yīng)力達(dá)到了201.4 MPa，相比于無(wú)壓痕時(shí)導(dǎo)電排的最大應(yīng)力增大約1.6倍，接近材料的抗拉強(qiáng)度224 MPa，可見(jiàn)當(dāng)有工藝性壓痕存在時(shí)，導(dǎo)電排疲勞壽命會(huì)大大縮短。

2.3 材質(zhì)性能

導(dǎo)電排材質(zhì)為T(mén)1銅。故障后對(duì)返廠(chǎng)導(dǎo)電排進(jìn)行化學(xué)成分和機(jī)械性能測(cè)試，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，導(dǎo)電排材質(zhì)、機(jī)械性能均符合要求[9]。

表2 導(dǎo)電排材質(zhì)檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Test results of conducting bar material

2.4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)導(dǎo)電排結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝和材質(zhì)性能三個(gè)方面的綜合分析，得出導(dǎo)電排熔斷故障的原因如下：

（1）導(dǎo)電排彎曲直徑偏小，工藝性相對(duì)較差，導(dǎo)電排成型過(guò)程中容易產(chǎn)生工藝性損傷；

（2）導(dǎo)電排制造加工工藝存在缺陷[10]，采用折邊機(jī)成型工藝，彎折模具彎角過(guò)小，使得導(dǎo)電排成型過(guò)程出現(xiàn)明顯壓痕和損傷；

（3）導(dǎo)電排最大應(yīng)力的安全裕度相對(duì)減小，當(dāng)導(dǎo)電排存在工藝性損傷時(shí)最大應(yīng)力接近材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度[11]。

綜上，導(dǎo)電排在制作過(guò)程中產(chǎn)生工藝性損傷后其機(jī)械性能大大降低，在離心力和熱應(yīng)力的作用下，最大應(yīng)力接近材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度，遠(yuǎn)大于材質(zhì)的疲勞極限，導(dǎo)電排在損傷處出現(xiàn)疲勞，最終導(dǎo)致熔斷故障。

3 改造方案

3.1 技術(shù)方案

針對(duì)上述原因，提出一種新型導(dǎo)電排結(jié)構(gòu)，包括上導(dǎo)電排、轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈、下導(dǎo)電排、轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)換組件和電纜，結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。上導(dǎo)電排上端與轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈焊接，上導(dǎo)電排下端通過(guò)氧乙炔焊方式與下導(dǎo)電排上端焊接，轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈下方設(shè)有轉(zhuǎn)軸，下導(dǎo)電排右端與電纜相連接。轉(zhuǎn)換組件下方與轉(zhuǎn)軸相接，轉(zhuǎn)換組件包括凹槽、滑板、彈簧、吹管、轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)、絕緣塊和夾持組件；凹槽設(shè)于轉(zhuǎn)軸右端，其結(jié)構(gòu)如圖6中A處所示，凹槽內(nèi)側(cè)面與滑板相互接觸，滑板底部與彈簧彈性連接，凹槽底部左端與吹管相連接，轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)通過(guò)支撐架與凹槽上端相連接，轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)連接關(guān)系結(jié)構(gòu)如圖7所示，轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)上下兩端側(cè)面連接有絕緣塊，轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)左右兩側(cè)面連接有夾持組件，夾持組件結(jié)構(gòu)如圖8所示，夾持組件包括連接板、絲桿、手柄、滑塊和夾塊。連接板與轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)左右兩側(cè)面相連接，連接板內(nèi)左端與絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)連接，絲桿前端與手柄固定連接，絲桿側(cè)面螺紋與滑塊螺紋連接，滑塊右端與夾塊固定連接。

圖6 新型導(dǎo)電排結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of new conducting bar

圖7 轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)連接結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of connection relation structure of rotating plate

圖8 夾持組件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of clamping component structure

3.2 新型導(dǎo)電排工作原理

（1）使用新型導(dǎo)電排時(shí)，首先將結(jié)構(gòu)改造后的裝置放置在工作區(qū)域中，然后將設(shè)備與外部電源相連接，即可為本設(shè)備工作提供所需的電能。

（2）更換下導(dǎo)電排時(shí)，在下導(dǎo)電排與氧乙炔焊接處進(jìn)行分離操作，給手柄673施加動(dòng)力，帶動(dòng)絲桿672轉(zhuǎn)動(dòng)，使兩端的滑塊674相向移動(dòng)，帶動(dòng)兩端的夾塊675相向分離，失去對(duì)電纜7上端的夾持，可將下導(dǎo)電排與電纜分離。

（3）施加動(dòng)力給轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)65，使下端絕緣塊66內(nèi)放置的下導(dǎo)電排4向上轉(zhuǎn)動(dòng)，至轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)65下端，即可快速完成對(duì)下導(dǎo)電排4的更換。

（4）轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)65上端的絕緣塊66轉(zhuǎn)換至下端時(shí)，當(dāng)絕緣塊66轉(zhuǎn)動(dòng)后，可施加擠壓力給滑板62，使滑板向下壓縮彈簧63，滑板向下移動(dòng)的同時(shí)擠壓內(nèi)部空氣進(jìn)入吹管64，并向上延伸至吹管64上端，空氣經(jīng)過(guò)吹管64上端開(kāi)口吹向下導(dǎo)電排4，可清除下導(dǎo)電排表面的粉塵。

（5）將下導(dǎo)電排4、上導(dǎo)電排1和電纜7連接，并將電纜上端置于夾塊675內(nèi)部，施加動(dòng)力給手柄673，通過(guò)絲桿672帶動(dòng)兩端的夾塊675相向移動(dòng)并對(duì)電纜上端夾持固定，提高電纜與下導(dǎo)電排之間連接的穩(wěn)定性，降低整體晃動(dòng)產(chǎn)生的影響。

3.3改造效果有限元分析

為方便制造，將導(dǎo)電排彎曲半徑從2.5 mm增加到10 mm。采用有限元方法分析彎曲半徑為10 mm的導(dǎo)電排在熱應(yīng)力和離心力作用下的機(jī)械性能。圖9為導(dǎo)電排彎曲半徑為2.5 mm（R2.5）和10 mm（R10）時(shí)導(dǎo)電排的應(yīng)力云圖。表3為彎曲半徑對(duì)導(dǎo)電排最大應(yīng)力的對(duì)比分析結(jié)果。

圖9 R2.5、R10彎曲半徑導(dǎo)電排應(yīng)力云圖Fig.9 Stress cloud chart of conducting bar with bending radius of R2.5 and R10

表3 不同彎曲半徑導(dǎo)電排最大應(yīng)力對(duì)比結(jié)果Tab.3 Comparison results of maximum stress of conducting bars with different bending radius

從有限元分析結(jié)果可以看出，導(dǎo)電排彎曲半徑從2.5 mm增加到10 mm時(shí)，導(dǎo)電排工藝性能增加的同時(shí)最大應(yīng)力降低了21%，導(dǎo)電排結(jié)構(gòu)可靠性得到提高。

為減小導(dǎo)電排最大應(yīng)力，提高其安全裕度[10]，新型導(dǎo)電排在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向上增加一個(gè)轉(zhuǎn)換組件，有限元分析時(shí)采用導(dǎo)電排中間約束的方法來(lái)模擬固定支撐對(duì)導(dǎo)電排的受力分析。圖10為彎曲半徑為2.5 mm和10 mm的導(dǎo)電排增加轉(zhuǎn)換組件后的應(yīng)力云圖。表4為轉(zhuǎn)換組件對(duì)導(dǎo)電排最大應(yīng)力影響的對(duì)比分析結(jié)果。

圖10 帶轉(zhuǎn)換組件的導(dǎo)電排應(yīng)力云圖Fig.10 Stress cloud chart of conducting bar with conversion components

表4 轉(zhuǎn)換組件對(duì)導(dǎo)電排最大應(yīng)力影響的對(duì)比分析結(jié)果Tab.4 Comparison and analysis results of effect of conversion components on conducting bar

從有限元分析結(jié)果可以看出，導(dǎo)電排增加轉(zhuǎn)換組件后最大應(yīng)力減小了約90%，導(dǎo)電排結(jié)構(gòu)可靠性大大提高。

4 現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)及防范措施

4.1 修復(fù)步驟

（1）拆除轉(zhuǎn)子電纜與導(dǎo)電排、轉(zhuǎn)子導(dǎo)電排連接處所有外包絕緣及連接螺栓、螺母；

（2）撬平3個(gè)止動(dòng)墊片角，采用氧乙炔焰預(yù)熱拆除三相轉(zhuǎn)子導(dǎo)電排固定絕緣壓塊的螺栓、止動(dòng)墊片和絕緣壓塊；

（3）按圖11所示位置將原導(dǎo)電排截?cái)啵瑢⑿聦?dǎo)電排與原導(dǎo)電排剩余部分采用氧乙炔焊進(jìn)行搭接焊接，并對(duì)焊接后導(dǎo)電排進(jìn)行包絕緣處理。焊接時(shí)，采用氧乙炔焊焊接，用HL204銀銅焊料填充充分，焊接部位需焊頭焊牢，新舊導(dǎo)電排的搭接長(zhǎng)度為13～15 mm。

圖11 導(dǎo)電排截?cái)辔恢眉昂附右驠ig.11 Cut-off position and welding requirements ofconducting bar

（4）安裝轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)、夾持組件等附件，安裝后導(dǎo)電排結(jié)構(gòu)如圖12所示，最后對(duì)新導(dǎo)電排整體進(jìn)行包絕緣處理；

圖12 安裝改造后導(dǎo)電排結(jié)構(gòu)Fig.12 Conducting bar structure after installation and transformation

（5）安裝新型導(dǎo)電排后，清理防護(hù)材料碎屑，導(dǎo)電排與支架間隙用適型氈填實(shí)，用直徑5 mm的滌波繩將導(dǎo)電排與支架綁扎牢固，刷自干漆固化，確保刷干、刷透；

（6）測(cè)量轉(zhuǎn)子三相直流電阻和絕緣電阻。三相直流電阻偏差≤2%，絕緣電阻≥20 MΩ。

4.2 維護(hù)措施

為保證修復(fù)質(zhì)量，在修復(fù)及后期維護(hù)中還需做到以下幾點(diǎn)：

（1）嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)要求進(jìn)行整改，整改過(guò)程須記錄、歸檔；

（2）焊接人員須具有焊接與熱切割作業(yè)證，對(duì)焊接人員按照整改要求進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)培訓(xùn)并考核，合格后方可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)焊接工作；

（3）整改方案中新導(dǎo)電安裝過(guò)程圖片需提交專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員確認(rèn)后才能進(jìn)行下一步工作；

（4）后期運(yùn)行中應(yīng)加強(qiáng)巡檢，定期打開(kāi)發(fā)電機(jī)觀(guān)察孔檢查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。

5 結(jié)束語(yǔ)

按照新型導(dǎo)電排結(jié)構(gòu)進(jìn)行整改修復(fù)后，發(fā)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。后期跟蹤檢查，導(dǎo)電排表面絕緣沒(méi)有發(fā)黑碳化、打火現(xiàn)象，焊接處未出現(xiàn)焊縫開(kāi)裂現(xiàn)象，轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)、夾持組件與導(dǎo)電排沒(méi)有松動(dòng)脫落現(xiàn)象。測(cè)量轉(zhuǎn)子三相直流電阻、對(duì)地絕緣電阻、相角偏差等均在正常范圍，初步驗(yàn)證采用新型導(dǎo)電排可有效解決發(fā)電機(jī)幾字形導(dǎo)電排熔斷問(wèn)題，有效延長(zhǎng)風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件的使用壽命。