水電機(jī)組定子硅鋼片位移故障分析與處理

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)50Mw的Ss-K50-30/6400型混流式機(jī)組,分別于1987一1988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6400mm,內(nèi)徑5760mm,高度1500mm,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3～7mm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10mm、深約6mm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7mm,其輒部有明顯的過(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?

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),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。

圖3鐵芯溫度分布圖

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?chē)F芯溫度最低為52.6C,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)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0.65～2.3mm,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0.44mm。

依此計(jì)算,機(jī)組運(yùn)行時(shí),鐵芯本體溫差最大值達(dá)42.3℃,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5.7mm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),輒部受力較大,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。

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。

5故障處理

鐵芯硅鋼片位移缺陷發(fā)生后,對(duì)全部機(jī)組的定子鐵芯用工業(yè)內(nèi)窺鏡進(jìn)行跟蹤檢查,其間曾發(fā)現(xiàn)2號(hào)機(jī)組鐵芯底部有硅鋼片最大位移3.68mm,2號(hào)機(jī)組鐵芯底部有硅鋼片最大位移3.55mm。

缺陷發(fā)現(xiàn)后,第一時(shí)間采取了對(duì)應(yīng)措施,根據(jù)多臺(tái)次的故障處理經(jīng)驗(yàn),將故障處理方法總結(jié)如下:

(1）修整硅鋼片位移的內(nèi)圓徑向突出部分,使其端面與其他硅鋼片端面保持平整:

(2）在故障硅鋼片及其逆時(shí)針?lè)较?相鄰硅鋼片下方的盒形壓齒上,焊接非磁性不銹鋼徑向阻止裝置:

(3）將定子鐵芯的壓緊螺栓重新緊固,防止定子鐵芯松動(dòng)。

硅鋼片內(nèi)圓徑向突出部分被修齊整后,既能防止割壞線棒絕緣,又使得該部位的定、轉(zhuǎn)子間氣隙回歸正常,消除了磁固耦合共振的因子。

故障處理后,定子鐵芯安全運(yùn)行直至定子整體改造完成,均未發(fā)生異常。

6結(jié)論與建議

定子底部硅鋼片的松動(dòng)位移一旦發(fā)生,要從根本上處理存在較大的難度,而且處理周期很長(zhǎng),因此建議從設(shè)計(jì)、安裝、檢修等多方面采取措施,以防止此類故障的發(fā)生,比如:

(1）保持各盒形壓齒的安裝高度一致,并定期檢測(cè)鐵芯壓緊螺栓的力矩值,確保螺栓力矩保持恒定,提高定子鐵芯的整體剛度,保證長(zhǎng)期運(yùn)行后不易松動(dòng):

(2）硅鋼片安裝時(shí)采用分段熱壓工藝,使片間絕緣在熱壓條件下軟化,勻質(zhì)重填,確保漆膜在長(zhǎng)期運(yùn)行后不會(huì)收縮過(guò)大:

(3）改善定子鐵芯底部的通風(fēng)條件,及時(shí)清污,確保散熱良好:

(4）對(duì)投運(yùn)時(shí)間較長(zhǎng)的機(jī)組,定期用工業(yè)內(nèi)窺鏡檢查定子底部鐵芯,以便盡早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,保證機(jī)組安全運(yùn)行。