小湾电厂1号机组发电机定子线棒受损及处理

[摘要]：小湾电厂1号机组发电机检修过程中，发现第37号与38号磁极上部极间支撑块拉杆及螺母脱落，极间支撑块受损。且定子上层线棒下端部及定子铁心多处不同程度损伤。小湾电厂明确受损情况，并将转子吊出后对定转子进行细致检查，对定子线棒受损部位进行修复。同时对转子极间支撑进行改造，确保在机组后续运行中安全可靠。

[关键词]：发电机 定子线棒 极间支撑 受损 修复

中图分类号： TB857 文献标识码： A

一、概述

小湾水电站位于中华人民共和国云南省凤庆县与南涧县交界的澜沧江上，电站距昆明公路里程约456km。

小湾水电站以发电为主，兼有防洪、灌溉、拦沙及航运等综合利用效益，系澜沧江中下游河段梯级开发的第二级电站和“龙头水库”。小湾电站工程由混凝土双曲拱坝、坝后水垫塘及二道坝、左岸泄洪洞和右岸地下引水发电系统组成。小湾电站水库的库容约150亿m3。电站装机容量4200MW，装机6台，单机容量700MW。

小湾电厂安装6台单机容量为700MW混流式水轮发电机组，最大水头251m，最小水头164m，额定水头216m。机组运行条件苛刻，运行水头变幅达87m，最大水头（251米）与最小水头(164米)比值为1.53，要求水轮机具有宽幅度的水头适应性、稳定性和高效性。机组单机容量大，运行水头高，水头变幅大，发电机直径小，铁心高，转速高，设计和制造难度均属世界前列。

水轮发电机主要参数：

表格 1 水轮发电机主要参数

名称 规范值 名称 规范值

型号 SF700-40/12770 结构型式 立轴半伞式三相凸极同步发电机

额定容量 777.8 MVA 额定功率 700 MW

额定电压 18 kV 额定电流 24948 A

额定励磁电压 370 V 额定励磁电流 3760 A

空载励磁电压 210 V 空载励磁电流 2140 A

额定频率 50 Hz 功率因数 0.9

额定转速 150 r/min 飞逸转速 290 r/min

额定效率 98.76% 线棒并联支路数 8

绝缘等级 F级 推力负荷 26490 kN

定子绕组连接 Y形连接，中性点经接地变压器接地 冷却方式 密闭自循环空气冷却

型号 SF700-40/12770 结构型式 立轴半伞式三相凸极同步发电机

额定容量 777.8 MVA 额定功率 700 MW

额定电压 18 kV 额定电流 24948 A

额定励磁电压 370 V 额定励磁电流 3760 A

制造厂家 哈尔滨电机厂有限公司/天津阿尔斯通水电设备责任公司

图1 小湾电厂发电机剖面图

小湾电厂1号机组发电机由哈尔滨电机厂有限责任公司制造，由水电十四局完成现场安装，于2009年09月19日投产发电。小湾电厂转子磁极20对，磁极之间由1对极间支撑块进行隔离支撑，极间支撑块由两根M12，材质为42CrMo的螺杆进行固定。磁极与磁轭之间经链条式磁极键进行定位。

①－磁轭 ②－磁极 ③－极间支撑块 ④－极间支撑螺杆 ⑤－固定块

图2 小湾电厂极间支撑装配图

二、定转子受损情况

在小湾电厂2012-2013年度1号机组检修过程中，拆除定子下端部挡风板发现67号上层线棒下端部严重受损，将1号机组转子吊出后检查，发现第37#与38#磁极非驱动端极间支撑M12螺杆及螺母脱落，极间支撑拉杆相对应的整圈铁心内表面损伤较严重，铁心表面另有多处受损，定子线棒部分受损严重，已伤及主绝缘层。

图3 极间支撑螺杆断裂情况

图4 定子线棒受损情况

图5 定子铁心受损情况

线棒受损情况经检查，最终确定对内防晕层及主绝缘层受损的67号、131号、163号、180号、181号、433号、444号共7根定子线棒进行更换，由哈电厂家以电腐蚀的方式对受损定子铁心进行处理。

四、缺陷原因分析

经分析，认为极间支撑螺杆断裂原因有以下几点：

1.螺杆材质本身不合格，导致螺杆在力的作用下强度不够，最终断裂。针对此可能性，哈电将拆下的部分螺杆进行了材料化学成分分析和材料力学性能试验，得出的结论满足设计强度要求。并且将查下来的螺杆进行取样检验（取样6根），检验结果为2根螺杆性能不合格。因此螺杆本身性能不合格也为本次螺杆断裂的因素之一。

2.加工过程中螺杆的螺纹可能有加工缺陷，导致在缺陷处断裂。针对此可能性分析如下：如断裂面图显示，断裂处为螺杆与固定块的连接根部，但加工缺陷正好在此位置的可能性不大。但不排除加工缺陷在此位置的偶然性的存在。

3.安装过程中对该螺杆的螺母把紧力过大，导致安装时该螺纹断面已存在缺陷，在运行过程中，在各种力的综合作用下最终导致断裂。

4.安装顺序不合理导致撑块安装时位置与螺杆产生偏斜力的作用，在运行过程中，在各种力的综合作用下最终导致断裂。当先把紧穿过磁轭里面的M16螺杆的螺母再安装M12螺杆的螺母时可能使撑块和M12螺杆产生偏斜力。正确的安装顺序为先将撑块的位置调整好之后，将M12螺杆的螺母把紧，之后再将穿过磁轭里面的M16螺杆的螺母把紧。

5.撑块结构设计不合理。针对该撑块结构，哈电进行了的应力分析，结果如下：

表格 2 螺杆可能的作用力

序号 可能的作用力 工况 符号 应力（MPa）

1 离心力引起螺杆径向应力 额定工况 Fr 61

飞逸工况 Ffy 228

2 温升引起螺杆和磁极撑块径向变形不一致 额定工况 Ftemp -85.6

3 磁极铜线膨胀对撑块的作用力 额定工况 Fp1 15

磁极铜线两侧膨胀对撑块的附加作用力 额定工况 Fp2 4.4

4 间隙引起的螺杆弯曲应力 额定工况 Fjx 61.7

5 磁极铜线离心力对撑块的附加荷载 额定工况 Fced 40

飞逸工况 Fcfy 150

额定工况下，总应力为：Fr+Fp1+Fp2+Fjx+Fced=61+15+4.4+6.17+40=182.1MPa ；飞逸工况下，总应力为：Ffy+Fp1+Fp2+Fjx+Fcfy=228+15+4.4+61.7+150=459.1MPa。如果考虑到初始安装偏差的附加弯曲荷载，则可能产生的应力及螺杆伸长值如下：

表格 3 安装偏差附加荷载

产生侧向挤压的装配工差（mm） 螺杆计算长度（mm） 螺杆根部应力（Mpa）

情况A：螺杆和螺孔装配同心，螺杆螺孔之间有单侧2mm间隙

0.5 275 20

1 275 40

2 275 80

3 275 119

情况B：恶劣工况，螺杆和螺孔不同心，螺杆螺孔在铜线挤压侧完全贴住

0.5 76 260

1 76 521

根据螺杆的材质为42CrMo，计算得出其屈服极限为σs=735MPa，大逸工况下的459.1MPa及情况B下的521MPa，且最大安装偏差正常情况下≤0.5mm。

因此，极间支撑块结构设计是合理的。

在拉紧螺杆更换过程中，严格把控支撑块与磁极间的间隙小于0.5mm。对所更换的螺栓，严格按照螺栓标准扭紧力矩进行扭紧。

三、缺陷处理情况

1.定子线棒受损情况处理况

1.1.工器具及材料准备

本次线棒更换所用工具材料为备品线棒、槽楔、波纹板等材料及中频焊机、涂胶折边工具、绝缘盒灌注胶、红磁漆、打槽楔等工具，并由哈电厂家提供的银铜焊丝、焊片、斜连接板、斜绝缘盒等。

本次更换的7根线棒6根为普通上层线棒、1根为上层斜连接线棒备品线棒运至现场后，搭设临时加热棚，用履带式加热板加热干燥。温度75度左右连续干燥24小时。降温后进行单根线棒耐压试验，交流耐压52kV 1分钟。根据《小湾发电机安装说明书》规定：如没出现火花放电，击穿闪络或爬电痕迹，认定电压试验通过。单根线棒最小绝缘电阻应不小于5000MΩ。经耐压试验，线棒全部合格。

线棒拆除工作

将受损需更换线棒67、131、163、180、181、433、444共7根检查确认并标记。绕组端部防护，拆出受损线棒绝缘盒，清除周围线棒间胶块、碎屑等，清除并头板与线棒连接部位环氧胶；拆出端部斜边垫块、绑绳、槽口垫块、挡风板、主槽楔、副槽楔、楔下垫条、波纹板等。

做好并头附近防护措施防止高温损伤下层线棒端部绝缘、防止冷却水渗入线槽内，用中频焊机熔开并头板。使用木方、软吊带将线棒从铁心槽内拔出。

图6 受损线棒拆除情况

1.2.下线工作

下线前，清出铁心槽内表面以及通风沟残留硅橡胶等，检查槽层间测温电阻无异常，具备下线要求。

在铁心槽口部位粘贴一层胶带，防止线棒入槽时损伤。将下线的线棒直线部分绕包涂抹半导体硅橡胶的槽衬；用桥机将绕包好的线棒吊至线槽附近，线棒位置正对线槽，调整好上下高度后，在线棒直线段上垫线棒垫板，用锤轻轻敲打线棒垫板将线棒敲打入槽内；线棒嵌入后，斜边间隙调整均匀，并用压线工具固定线棒。

经检查上、下层线棒端头周向错位要求

图6 下线工作情况

1.3.并头焊接

下线工作完毕后，将并头部位氧化层用砂纸打磨去出，焊缝显示本色，打磨粉尘碎屑用酒精白布清洁干净。

焊接部位相邻线棒、下方出槽口用干棉布塞紧填实防止渗出的冷却水进入线槽，焊接并头附近用浸水石棉布塞紧，冷却低压气气管接至焊接头附近，冷却措施、防水措施完备。焊接结束立即打开低压气冷却焊接部位，焊接时间一般在2-3分钟左右。

清除表面焊瘤及氧化物后检查，焊缝充满钎料，饱满平整无凹槽，光滑无气孔、无裂纹，无砂眼，线棒绝缘无灼伤痕迹。

焊接结束后进行试验检查，其直流电阻检测数据正常。

1.4.绝缘盒安装及灌注

根据安装工艺守则，线棒端头绝缘与绝缘盒的搭接长度均大于35mm，线棒端头绝缘已用浸胶云母带叠包处理。

用绝缘盒堵漏板、堵漏木楔和环氧腻子对上端通底绝缘盒进行堵漏。检查堵漏环氧腻子已完全固化，用双组分灌注胶均按哈电要求比例调配且搅拌均匀后灌注上下端绝缘盒。环氧胶固化后，全部拆下堵漏木楔并清理掉堵漏板及残留腻子胶。

1.5.修后试验

定子新更换的线棒符合哈电厂家安装工艺及试验要求，检查定子上下端部无异物；检查定子铁芯及通风槽内无异物；发电机定子测温电阻、气隙传感器等二次元件已全部接地；定子具备电气试验条件。按DL/596-1996《电力设备预防性试验规程》要求开展相关项目试验；（定子绝缘电阻、吸收比、极化指数、直流电阻、直流耐压及泄露、定子绕组27kV交流耐压1分钟。试验结果满足DL/596-1996《电力设备预防性试验规程》要求，试验合格。其试验结果如下：

表格 4 定子绕组绝缘电阻

测 试 相序 R15s(MΩ) R60s(MΩ) R 10min（GΩ） 吸收比 极化指数

定子绕组处理后 直流耐压前 A相 206 507 3.27 2.46 6.44

B相 196 487 3.43 2.48 7.04

C相 192 484 3.65 2.52 7.54

直流耐压后 A相 201 498 3.66 2.48 7.35

B相 198 512 3.82 2.59 7.46

C相 209 553 4.75 2.65 8.59

交流耐压后 A相 192 471 - 2.45 -

B相 183 475 - 2.59 -

C相 182 459 - 2.52 -

表格 5定子绕组直流耐压及泄漏电流

定子绕组处理后 直流电压（kV） 0.5UN 1.0UN 1.5UN 2.0UN 2.5UN

9 18 27 36 45

泄漏电流（μA） A 11 20.3 24.6 27.2 32.3

B 12.1 18.3 23.7 25.9 32.7

C 12.2 23.1 23.9 24.9 31.8

表格 6定子绕组分相交流耐压

定子绕组处理后 相序 试验时间 电压（kV） 结果

A 1min 27 通过

B 1min 27 通过

C 1min 27 通过

小湾1号机受损定子线棒处理后，通过了0.5 UN、1.0 UN、1.5 UN、2.0 UN、2.5 UN直流耐压试验及1.5UN交流耐压试验

2.定子线棒受损情况处理况

处理人员采用电腐蚀的方法和手工划开的方式处理定子片间粘连。在处理铁心前，全面检查铁心受损情况，并作记录。

2.1.铁心修复工艺及过程

将铁心修复工具前端包上涤纶毡，用铜丝绑牢，再把修理工具接到容量为10kVA 调压器控制台上，调整调压器控制台，将修理工具涤纶毡蘸上腐蚀溶液在铁心缺陷处进行涂刷，大约一分钟，然后移开，冷却十分钟。一次涂刷没有修理好，可以进行第二次，直至修好为止。用放大镜检查冲片间形成圆角，明显分开，然后用棉布擦干或用吹风机吹干，画上标记。

对铁心局部变形较大的做整形处理，即挑开片间粘连的毛刺，使冲片间明显分开，再用毛刷清理干净，如发现冲片有裂纹应剔除该部分，并在冲片间添加云母片。

修复人员对整体定子铁心所有受损点进行测量，故障电流为40 mA -120mA，超出了≤53mA的质量标准。在铁心修复过程中采用边修复边试验的方法，对试验不合格的点按照铁心修复工艺继续处理，直至试验合格；

受损铁心全部修复完成及铁心表面、通风槽沟全面清理后，测量受损铁心修复后的故障电流，所测得的故障电流均小于哈电机厂公司不大于53mA的标准要求；

局部铁损试验合格后，对所处理的受损点均匀涂刷一薄层硅钢片边段涂刷胶，使处理面填充均匀、饱满，保证冲片间充分渗透；

待硅钢片边段涂刷胶干燥后，对所处理的受损点中对缺肉及磕碰凹点进行填充处理。

最后对所处理的1465处受损点均匀涂刷一薄层环氧酯晾干红磁漆。

图8 电腐蚀处理及铁心修复情况

图9 铁心及线棒修复后情况

四、小结

通过次缺陷的产生，在螺杆更换过程中，缺陷处理人员将严格按照安装顺序对极间支撑螺杆进行更换。并且对于极间支撑快与磁极之间的间隙控制在0.3mm以内，与固定块之间无间隙，尽可能的减少运行中的应力，降低极间支撑螺杆断裂几率。

所购买的极间支撑螺杆，提供质量、材质证明及探伤证明，确保供货质量。同时，对于所购买的极间支撑螺杆在安装前进行100%着色探伤，确保安装前螺杆无损伤。

参考文献:

［1］《小湾极间撑块拉紧螺杆断裂分析》、《小湾水轮发电机磁极撑块螺杆计算》、《小湾电站1号定子铁心修复及受损定子线棒更换工艺方案》哈尔滨电机厂有限责任公司

［2］DL/596-1996《电力设备预防性试验规程》

［3］《小湾电厂水轮发电机组及其附属设备检修调试验收质量标准》小湾电厂