引言
緊水灘水電站位于浙南甌江干流龍泉溪段,共有6臺50Mw的Ss-K50-30/6400型混流式機組,分別于1987一1988年投運。自2005年起,先后有5臺機組定子鐵芯底部的硅鋼片出現(xiàn)不同程度的位移問題,而隨著多年來對問題機組定子鐵芯及線棒的整體改造,目前硅鋼片位移的問題已從根本上得到解決。本文試從定子端部磁場、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臺機組的定子鐵芯都曾出現(xiàn)過不同程度的硅鋼片位移問題,共同點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。
最嚴重的是6號和2號機組,曾發(fā)生過定子單相接地故障。其中6號機組檢查后發(fā)現(xiàn)定子第31槽的下層線棒有一條長約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,其輒部有明顯的過熱和放電痕跡,而逆時針方向的相鄰硅鋼片亦有少量的徑向位移。
2號機組的情況與6號機組大同小異,其他3臺機組雖未發(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、振動大小以及溫度冷熱不勻有關(guān)。
2定子鐵芯磁場分布及溫度實測
根據(jù)文獻,水輪發(fā)電機定子端部的磁場分布規(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的大小,而漏磁場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)定子端部的磁場分布規(guī)律及水電機組定子鐵芯的結(jié)構(gòu)特點分析,沿定子軸向長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。
而機組在運行時,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型紅外測溫儀檢測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℃,周圍鐵芯溫度最低為52.6C,最大溫差值達41.3℃,該時間段的環(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熱,會導(dǎo)致定子硅鋼片位移與變形。
由文獻可知,水輪發(fā)電機的硅鋼片內(nèi)外溫度差20℃時,此時硅鋼片內(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。
依此計算,機組運行時,鐵芯本體溫差最大值達42.3℃,和環(huán)境溫度的差值更是高達67℃,位于槽底的硅鋼片內(nèi)圓徑向位移估算值有5.7mm之多。
硅鋼片過熱后,片間的漆膜會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,運行多年的機組,則可能存在多個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,該型機組用于壓緊定子硅鋼片的盒形壓齒,僅有一半長度位于機座上,另一半為懸臂梁結(jié)構(gòu)。螺栓壓緊時,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、振動等外力的長期作用下,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大
某個部位的硅鋼片位移,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)電機偏心磁拉力顯著加大,硅鋼片受力后振動加劇,嚴重時將導(dǎo)致硅鋼片位移松動及變形。
松動的硅鋼片,其固有振動頻率在一定范圍內(nèi)變化,出現(xiàn)接近于激勵頻率的低階固有頻率。低階的固有振動頻率與發(fā)電機氣隙磁場頻率相耦合時,會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頻率存在共振關(guān)系時,將激發(fā)危險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的硅鋼片成為一個非線性振動系統(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,若不及時發(fā)現(xiàn),即會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,對全部機組的定子鐵芯用工業(yè)內(nèi)窺鏡進行跟蹤檢查,其間曾發(fā)現(xiàn)2號機組鐵芯底部有硅鋼片最大位移3.68mm,2號機組鐵芯底部有硅鋼片最大位移3.55mm。
缺陷發(fā)現(xiàn)后,第一時間采取了對應(yīng)措施,根據(jù)多臺次的故障處理經(jīng)驗,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針方向,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。
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,因此建議從設(shè)計、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,保證長期運行后不易松動:
(2）硅鋼片安裝時采用分段熱壓工藝,使片間絕緣在熱壓條件下軟化,勻質(zhì)重填,確保漆膜在長期運行后不會收縮過大:
(3）改善定子鐵芯底部的通風(fēng)條件,及時清污,確保散熱良好:
(4）對投運時間較長的機組,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)問題,保證機組安全運行。
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