水电机组定子硅钢片位移故障分析与处理

引言

紧水滩水电站位于浙南瓯江干流龙泉溪段,共有6台50Mw的Ss-K50-30/6400型混流式机组,分别于1987一1988年投运。自2005年起,先后有5台机组定子铁芯底部的硅钢片出现不同程度的位移问题,而随着多年来对问题机组定子铁芯及线棒的整体改造,目前硅钢片位移的问题已从根本上得到解决。本文试从定子端部磁场、定子温度的分布特征、铁芯结构和磁固耦合共振等方面分析其形成及扩大的原因,并介绍有效的故障处理方法,以供参考。

1故障描述

该型机组的定子共324槽,双路径向封闭自循环通风方式。硅钢片外径6400mm,内径5760mm,高度1500mm,硅钢片整圆由27张扇形硅钢片叠装,有108根拉紧螺杆,54根定位筋。

有5台机组的定子铁芯都曾出现过不同程度的硅钢片位移问题,共同点是都在定子铁芯最底下的一层发生硅钢片内圆径向位移,不同的是位移的量为3～7mm不等,位移的槽也不相同。

最严重的是6号和2号机组,曾发生过定子单相接地故障。其中6号机组检查后发现定子第31槽的下层线棒有一条长约10mm、深约6mm的割痕,棒与槽间的半导体漆布和垫条被割破,硅钢片的内圆径向位移约7mm,其辄部有明显的过热和放电痕迹,而逆时针方向的相邻硅钢片亦有少量的径向位移。

2号机组的情况与6号机组大同小异,其他3台机组虽未发生定子接地故障,但都发现了不同程度的硅钢片位移现象。

图1和图2分别是硅钢片位移和变形的实图。

硅钢片产生位移与变形的现象,与其所处环境的电磁力、振动大小以及温度冷热不匀有关。

2定子铁芯磁场分布及温度实测

根据文献,水轮发电机定子端部的磁场分布规律为:磁密以边段铁芯处最大,压指次之,压圈最小,随着端面径向尺寸的增大,磁密逐渐减小。

定子铁芯各部位的温度高低主要取决于该部位漏磁场的大小,而漏磁场引起的磁滞损耗和涡流损耗与漏磁密的平方成正比。

根据定子端部的磁场分布规律及水电机组定子铁芯的结构特点分析,沿定子轴向长度温度最大的为定子硅钢片的端边段、定子齿压板和定子压圈三个部位:而沿定子边段硅钢片径向温度最大的为端部压指顶、边段硅钢片的齿部位置,即位于铁芯端部的硅钢片齿部位置温度最高。

而机组在运行时,位于铁芯底部的硅钢片,由于通风条件差、积垢多而散热性差,是定子铁芯温度最高的部位。

图3所示为DL700CE型红外测温仪检测到的定子铁芯温度分布图,其中位于槽底近转子侧的Area01区温度最高,达到92.9℃,和分析的结果相吻合。

图3铁芯温度分布图

区域Area02的最高温度为80.5℃、Area03的最高温度为88.2℃、Area04的最高温度为78.8℃,周围铁芯温度最低为52.6C,最大温差值达41.3℃,该时间段的环境温度为25.9℃。

3硅钢片初始位移的产生

硅钢片温度的不均匀分布乃至局部过热,会导致定子硅钢片位移与变形。

由文献可知,水轮发电机的硅钢片内外温度差20℃时,此时硅钢片内圆径向位移变化在0.65～2.3mm,硅钢片中间部位的位移较小,两端位移大。以环境温度20℃为基准,温度每升高5℃,硅钢片内圆径向位移变化0.44mm。

依此计算,机组运行时,铁芯本体温差最大值达42.3℃,和环境温度的差值更是高达67℃,位于槽底的硅钢片内圆径向位移估算值有5.7mm之多。

硅钢片过热后,片间的漆膜会由于温升而老化并逐渐收缩,在硅钢片间形成微小的不均匀间隙,运行多年的机组,则可能存在多个部位的定子铁芯硅钢片片间间隙。

在定子铁芯结构方面,该型机组用于压紧定子硅钢片的盒形压齿,仅有一半长度位于机座上,另一半为悬臂梁结构。螺栓压紧时,辄部受力较大,齿部受力较小。在齿端张力的作用下,靠近齿根的压力大,靠近齿端的压力小,因此硅钢片在安装时均匀压紧的难度较大。

综上所述,温度高、片间间隙大、压紧力不均匀的铁芯底部硅钢片,在电磁力、振动等外力的长期作用下,容易产生位移及位移累增。

硅钢片位移后,使得该部位铁芯的内圆径向伸出长度增加,漏磁增大,温升增大,继而硅钢片位移加速。

4磁固耦合共振与硅钢片位移扩大

某个部位的硅钢片位移,使得该部位的定、转子间气隙发生变化,气隙的变化使得发电机偏心磁拉力显著加大,硅钢片受力后振动加剧,严重时将导致硅钢片位移松动及变形。

松动的硅钢片,其固有振动频率在一定范围内变化,出现接近于激励频率的低阶固有频率。低阶的固有振动频率与发电机气隙磁场频率相耦合时,会使得电磁力的频谱成分变得很丰富。

若某段电磁力频谱与硅钢片低阶固有振动频率存在共振关系时,将激发危险的磁固耦合双重共振及次生的亚谐共振或超谐共振,共振的最大幅值比工程实际允许的最大幅值要大几十倍到上百倍。

磁固耦合双重共振使得松动的硅钢片成为一个非线性振动系统,位移速度呈跳跃性增大,导致定子绕组绝缘被磨损、电化腐蚀现象加剧,若不及时发现,即会造成定子单相接地故障。

5故障处理

铁芯硅钢片位移缺陷发生后,对全部机组的定子铁芯用工业内窥镜进行跟踪检查,其间曾发现2号机组铁芯底部有硅钢片最大位移3.68mm,2号机组铁芯底部有硅钢片最大位移3.55mm。

缺陷发现后,第一时间采取了对应措施,根据多台次的故障处理经验,将故障处理方法总结如下:

(1）修整硅钢片位移的内圆径向突出部分,使其端面与其他硅钢片端面保持平整:

(2）在故障硅钢片及其逆时针方向,相邻硅钢片下方的盒形压齿上,焊接非磁性不锈钢径向阻止装置:

(3）将定子铁芯的压紧螺栓重新紧固,防止定子铁芯松动。

硅钢片内圆径向突出部分被修齐整后,既能防止割坏线棒绝缘,又使得该部位的定、转子间气隙回归正常,消除了磁固耦合共振的因子。

故障处理后,定子铁芯安全运行直至定子整体改造完成,均未发生异常。

6结论与建议

定子底部硅钢片的松动位移一旦发生,要从根本上处理存在较大的难度,而且处理周期很长,因此建议从设计、安装、检修等多方面采取措施,以防止此类故障的发生,比如:

(1）保持各盒形压齿的安装高度一致,并定期检测铁芯压紧螺栓的力矩值,确保螺栓力矩保持恒定,提高定子铁芯的整体刚度,保证长期运行后不易松动:

(2）硅钢片安装时采用分段热压工艺,使片间绝缘在热压条件下软化,匀质重填,确保漆膜在长期运行后不会收缩过大:

(3）改善定子铁芯底部的通风条件,及时清污,确保散热良好:

(4）对投运时间较长的机组,定期用工业内窥镜检查定子底部铁芯,以便尽早发现问题,保证机组安全运行。