灯泡贯流式水轮发电机组常见故障和防治措施

陈志高

【摘 要】为了系统地了解灯泡贯流式水轮发电机组的故障类型和特点,通过对此类机组典型的故障例子进行分类和分析,总结出定子铁心松动、转子阻尼条断裂以及转子扫膛等故障是此类机组的主要危害因素,并提出了相应的防治措施. 【期刊名称】《广西电力》 【年(卷),期】2012(035)005 【总页数】4页(P26-29)

【关键词】灯泡贯流式水轮发电机;定子铁心;转子阻尼条 【作 者】陈志高

【作者单位】广西电网公司电力科学研究院,南宁530023 【正文语种】中 文 【中图分类】TK733+.8

1 灯泡贯流式发电机的优缺点

灯泡贯流式水轮发电机具有工作水头低（2～30 m）、水轮机效率高、厂房结构紧奏、电站投资少、工期短的优点。但由于水头低，而且为了改善水流条件、提高机组效率，灯泡式水轮发电机的转速较低，定子直径较小，转子磁极空间也比较小，定子铁心相对较长。这些结构上的特点，使此类发电机机组存在以下先天性的缺点：①散热条件较差，造成运行温度偏高；②转动惯量较小使系统的动态稳定性降低，

转子的过度摆动使阻尼条感应较大的电流和承受较大的机械力，造成阻尼条过热或断裂；③气隙比一般水轮发电机小，容易产生较大的单边磁拉力，甚至发生转子扫膛故障；④由于转子磁极空间小，励磁安匝数受到限制，只能少带无功功率，调相运行比较困难。

2 灯泡贯流式发电机常见故障 2.1 定子铁心位移或松动

定子铁心位移或松动是灯泡贯流式水轮发电机常见且较为严重的故障，各生产厂家的电机在铁心松动的部位和形式上还有区别。例如：广西京南水电厂发电机定子铁心普遍存在压指变形、压指下铁心叠片松动的现象，铁心分瓣组合缝处的叠片外圆侧出现波浪状变形[1]；广西百龙滩水电厂1～3号发电机以及福建斑竹水电厂1～3号发电机均出现定子铁心端片向转子侧位移的问题；广西柳州里定电厂发电机定子铁心则出现压指沿周向位移、压迫线圈侧面的情况；江西桃江水电厂2台发电机则发生定子铁心段内硅钢片膨胀变形，向转子侧位移割伤定子线圈绝缘，而且出现硅钢片断裂的情况[2]。定子铁心位移或松动的后果是切割或磨损线棒绝缘，使其在运行或试验中被击穿；导至运行中电机的电磁噪音过大。 2.2 转子阻尼条断裂

阻尼条断裂也是此类发电机组常见的故障。如广西贵港航运枢纽电厂4台机组、湖南凌津滩水电厂1号机、湖南高滩水电厂1号及2号发电机、广东飞来峡水利枢纽电站4台机组、广西百龙滩电厂1号机均出现过阻尼条熔断或开裂的问题，其中贵港航运枢纽电厂和广东飞来峡水利枢纽电站的机组损坏情况比较严重，被迫全部更换转子磁极铁心。检查结果显示，按旋转方向位于磁极滑出边的阻尼条损坏情况最严重。

2.3 转子扫膛及中心体裂纹

转子扫膛也是一个比较突出的问题。如广西山秀水电厂2号发电机、福建高砂水

电厂1号及3号发电机[3]、广西鹿寨水电厂、广东白垢水电厂等发电机均在运行中发生转子扫膛的事故。此外，广西百龙滩电厂3号发电机中心体和贵港航运枢纽电厂3号发电机转子中心体圆盘在运行一段时间后出现裂纹。 2.4 定子绝缘损坏

由于灯泡贯流式发电机组结构上的弱点，定子线圈绝缘的损坏现象明显比普通水轮发电机偏高，特别是近几年投运的机组，定子绝缘事故比较频繁。例如：广西长洲岛水利枢纽电厂5号发电机2009年1月6日在运行中定子对地击穿，运行时间仅1年左右；广西山秀电厂1号机组2009年3月18日在预防性试验的直流耐电压试验中C相对地击穿，运行时间只有两年半；而广西桥巩水电厂1号、2号、5号发电机定子在安装前的检查试验中均发生绝缘击穿的问题。 2.5 运行温度过高

如江西桃江水电厂并网发电后定子温度长期过高，个别测温点达138.5℃；广东江口电厂2台发电机在夏季河水温度高于28℃时，机组在额定负荷下最高温度超过130℃；湖南石面坦水电厂3台机组冷风温度经常高达56℃，造成发电机运行温度过高，在95%～100%额定负荷运行时，温度就达到报警温度125℃以上；福建省高砂电厂4台机组在夏季河水温度为18.5℃时，冷风温度超过设计值；福建斑竹溪电厂3台发电机运行中定子铁心温度最高超过120℃，上游侧和下游侧定子铁心温差高达40～60℃。 3 故障的原因分析 3.1 定子铁心松动的原因

1）运行温度过高。发电机在设计时一般都会考虑运行中的温度影响，对铁心的热胀冷缩所产生的影响采取不同的防范措施。如果运行温度过高，定子铁心的变形超出了允许的范围，就会产生翘曲变形。

2）铁心压指刚度不足。定子铁心齿部的压紧主要是依靠端部压指实现，如果压指

刚度不足，当温度上升时，铁心膨胀将压指顶弯并产生永久变形，造成齿部压力不足而松动。

3）铁心的叠压工艺不满足要求。为了防止定子铁心松动，生产厂家采取了各种不同的硅钢片叠压技术或工艺。例如，在定子铁心端部冲片的片间刷胶并采用热压技术，使端部一段或数段铁心粘结成一体，提高抗变能力；有些发电机使用自带胶层的绝缘纸与冲片粘结。如果胶层抗老化性能不佳，运行一段时间后粘结力下降，就会导致硅钢片发生位移。

4）片间绝缘收缩造成松动。片间绝缘在长期运行后由于其中的化学成分挥发而收缩，如果不及时调整（拉紧）螺杆的扭矩，就会造成叠片松动。但大多数贯流式发电机由于定子线圈端部的阻挡，无法检查和调整螺杆的扭矩。 3.2 转子阻尼条断裂的原因

1）电磁设计不合理。阻尼条的尺寸、槽距通常都按原有的经验公式进行设计。通过多年来的运行经验表明，这些经验公式存在不合理的地方，应进行必要的修正和运行验证。

2）阻尼条松动。当阻尼条在槽中存在间隙时，由于运行中的谐波电流作用使阻尼条在槽中产生振动，这些振动一方面会造成阻尼条的机械磨损和疲劳损伤，另一方面有可能在槽中产生火花，对阻尼条产生电化磨损。

3）负序电流过大。定子三相电流严重不平衡时，就会产生较大的负序磁场，并在阻尼绕组中感应出较大的负序电流，造成阻尼条过热、材料变质开裂或熔断。 4）负荷摆动过大。贯流式机组由于转子的转动惯量小，系统负荷发生波动时转子所产生的摆动就会比普通水轮发电机的大得多，转子的过度摆动会在阻尼绕组中感应较大的电流。

5）系统电压过高。当系统电压过高时，发电机被迫降低励磁电流，此时发电机的功角增大，加剧气隙磁场的畸变率，磁极滑出边磁通增加，滑出边的阻尼条无论是

感应电流还是受到的电磁力都会显著增加，造成滑出边阻尼条开裂或熔断。 3.3 转子扫膛及中心体产生裂纹的原因

转子扫膛的主要原因是定子铁心定位筋开焊甚至脱落。除了焊接质量不良的情况，转子偏心所产生的单边磁拉力过大也是导致定位筋开裂的诱因。中心体产生裂纹主要是结构设计不合理、局部应力过高所致。 3.4 定子绝缘损坏的原因 3.4.1 制造质量不良

线圈在制造过程如质量控制不严，或下线时工艺控制不佳造成绝缘损坏，主要表现在线圈的股间或匝间绝缘损坏，或主绝缘存在局部损伤。 3.4.2 异物或零件脱落碰伤线圈

江西三和廖坊水电厂2号机组运行中曾出现冷却风扇叶片折断后直接落入发电机定子膛内。福建省高砂水电厂1号、2号发电机均出现定子铁心压指脱焊掉出打伤定子线棒的问题。有些机组在定子膛内遗留有钻头、电焊条、钢锯片等。 3.4.3 定子铁心松动

定子铁心松动后会刮伤定子线棒绝缘。硅钢片折断飞出也会割伤定子线棒绝缘。广西京南电厂的1号、2号发电机均发生过因铁心松动造成定子绝缘被击穿的故障，广西百龙滩电厂2号发电机定子线棒也由于铁心松动被割伤，见图1。 图1 线棒槽口被割伤图片 3.4.4 定子线棒松动

定子线棒的固定分槽中和端部两部份容易产生松动。线棒松动后在电磁力作用下产生振动，造成线棒绝缘磨损。百龙滩电厂机组曾出现槽垫条脱出的现象，见图2。 图2 槽垫条脱出图片 3.4.5 接头过热烧坏绝缘

福建省高砂水电厂2号发电机出现过端头跨接线熔断，造成定子相间短路的事故。

3.5 运行温度过高的原因

除了与结构设计有关以外，运行中轴承甩油，导致炭粉或灰尘进入定子膛内粘结后堵塞风道，也是造成运行温度偏高的原因。 4 防范措施

灯泡贯流式水轮发电机的故障原因多种多样，有设计、制造的问题，也有安装和检修时存在的质量问题，还有运行和维护上不到位的问题。以下提出的防范措施仅供参考。 4.1 总体要求

1）制造厂家应针对已暴露的问题，调整设计方案，改进生产工艺，提高产品质量。 2）运行监视应到位。对机组的振动、摆度、温度、声音、电气数据等应严格监视和记录，及时发现机组的异常情况。

3）定期检查应仔细到位。转子磁轭、磁极、定子铁心、线棒的固定构件是检查的重点，通过检查发现这些部件隐患的早期征兆，及时进行处理，防止形成重大设备事故。

4）完成应做的试验项目，严格依据标准控制检修质量。 4.2 防止阻尼条断裂

1）水轮机的调速器或发电机的功率调节应平稳，避免出现大起大落的负荷调节。 2）用户侧三相负荷的分配应尽可能平衡，防止负序电流过大。

3）调节升压变压器的运行档位，使机组避开低励磁状态下运行，减小气隙磁场的畸变。

4）如果发现阻尼条松动，应采取加固措施，例如用冲子在阻尼槽口挤压阻尼条增加固定点；在阻尼槽内填充环氧树脂；在阻尼环上加焊固定块防止阻尼条串动。 5）大修时注意检查阻尼条和阻尼环是否断裂，一旦发现断裂应及时焊接，对严重松动的阻尼条，应考虑更换。

6）磁极严重损坏需要重新制造时，应适当调整阻尼绕组的设计参数。如广西贵港航运枢纽电厂阻尼条由原来直径为13 mm的4条改为直径为20 mm的3条；广东飞来峡水利枢纽电站2003年将阻尼条直径由16 mm改为18 mm，定子单边气隙从9 mm增加到11 mm，采用预制波浪式的阻尼条，并在阻尼条与孔之间垫NOME绝缘纸[4]，但改造后在2006年再次发现阻尼条过热发黑，2008年再次调整改造方案，阻尼条由原来的3根改为2根，直径由18 mm改为20 mm，并取消阻尼条与孔之间的NOMEX绝缘纸[5]。 4.3 防止转子扫膛和中心体开裂

1）安装或检修时，必须保证转子的偏心度符合厂家的要求，防止出现过大的单边磁拉力。

2）定期检查磁轭键和磁极键，不应出现位移和松动。

3）定期检查定子铁心燕尾筋、托块的固定情况，防止焊缝出现裂纹或脱焊。 4）检查中心体如发现裂纹应及时补焊，局部应力过高时应考虑增加强度。 5）运行中应加强对机组振动、摆度的监视，不得超过允许值。 4.4 防止铁心松动

1）定期检查定子铁心端部叠片是否位移，铁心表面是否存在黄色的铁锈粉，齿部是否有松动、变形、变色、断裂的迹象。

2）检查齿压板的压指是否存在变形和松动，压指和铁心端片之间是否存在空隙。 3）运行中注意监视机组的振动情况和噪声，一旦出现异常情况必须查明原因。 4）一旦出现铁心松动的问题，必须及时进行处理，防止松动的问题严重化。 4.5 防止线棒松动

1）定期检查定子线棒的固定情况，检查端部绑带是否松动或断裂；槽口、绑扎部位是否有白色的绝缘粉末；槽中垫条是否脱出。

2）大修时，注意用小锤敲击槽楔，根据声音是否发空来检查槽楔是否出现松动的

情况。

3）定期检查测温元件的对地电位。正常情况下测温元件对地电位小于10 V，如果测温元件对地电位异常升高，说明线棒槽中防晕层已经受到严重破坏。 4.6 防止定子、转子绝缘击穿

1）认真检查和清除定子、转子中的遗留物，如工具、钻头、锯片、电焊条、焊渣等，防止这些物件破坏定子或转子绝缘。

2）定期清扫转子滑环碳粉，清洗定子的油污和油泥，防止通风沟堵塞。 3）机组停机备用时，应采取措施（如加热、通风等）防止发电机主绝缘受潮。 4）机组的防护网应完好，能有效地防止异物进入发电机膛内。 5）及时处理定子铁心松动和线棒松动的问题。 5 结语

近年来低水头贯流式电厂的建设发展较快，灯泡贯流式发电机组存在的问题越来越突出。有些问题的处理技术仍然在探索阶段，比如各种各样的定子铁心松动及阻尼条断裂问题，目前还没有一个万全之策，各种防范措施和设备结构参数的确定还需要进行深入的研究和长时间的运行考验。通过广大技术人员的努力和实践，故障原因将会逐步明朗，防范措施也将更加成熟和完善，机组运行的安全性和可靠性也会逐步提高。 参考文献

【相关文献】

[1]黎文明.京南电厂发电机相间短路及电腐蚀故障处理[J].水电站机电技术，2007，30（3）：46-48.

[2]陈春发.桃江水电站发电机定子烧毁故障原因探索[J].科技与生活，2010，4（20）：19.

[3]兰有磷.高砂水电厂灯泡贯流式发电机定子运行分析[J].水电厂自动化，2002，23（2）：42-44. [4]邓莉影.飞来峡水电站发电机阻尼条熔断的分析[J].广东电力，2004，17（1）：26-28. [5]黄俊锋.飞来峡灯泡贯流式发电机转子磁极改造[J].电工技术，2009，30（7）：72-73.