600MW发电机定子端部铁芯灼伤原因分析与处理

2018年6月
600MW发电机定子端部铁芯灼伤原因分析与处理张涛（茂名臻能热电有限公司，广东525011）
【摘要】本文针对某600MW发电机定子铁芯背部灼伤的缺陷进行分析，并采取特殊的试验方法测量了背部磁场的分布特性。

根据研究结果采取了针对性的改造措施，改造后的发电机定子铁芯端部再未出现铁芯灼伤的情况。

对其它同型号的发电机有着重要的借鉴和参考意义。

【关键词】发电机；端部；铁芯；过热
【中图分类号】TM311【文献标识码】A【文章编号】1006-4222（2018）06-0127-02
1引言
某厂7#发电机为600MW级汽轮发电机,额定电压22kV,正式商业运行日期为2014年1月4日。

该发电机2014
年9月停机检修期间,发现定子铁芯轭部背面表面存在多处电灼伤点(见图1)。

进一步检查发现,冲片鸽尾与定位筋接触部位出现多处严重烧伤的情况(见图2)。

随后进行了传统的铁芯试验和EL-CID试验,结果均为正常。

考虑到同年6月,有同类型机组发生严重的铁芯熔化事故(见图3),须进一步分析灼伤的原因。

以确保7#发电机后续的安全运行。

2原因分析与处理
2.1国内外铁芯试验现状概述
当前国内外对于大型发电机定子铁芯试验的方法研究主要还是模拟主磁通环境的方式进行试验,有传统的铁芯试验以及新型的ELCID。

传统的铁芯试验原理是:如果铁芯内有短路存在,则在交变磁通通过时,将使涡流损失增大,局部过热。

定子铁芯试验是利用专门缠绕的励磁线圈,通以工频交流电,使之在铁芯内部造成交变的磁通(接近饱和状态),使铁芯中绝缘劣化的部分产生较大的涡流,温度很快升高,然后用温度表测出各部温升。

同时,利用功率表测出励磁时的损耗,计算出铁芯单位重量所损耗的功率。

根据上述两项的测量结果与标准的进行比较,来判断定子铁芯有无故障存在[1]。

发电机铁芯损伤电磁感应检测方法(electromagnetic core imperfection
detector,ELCID)是英国人发明的铁芯缺陷检测方法,在欧美应用较多,近年来,国内也逐步推广应用。

此法也是模拟主磁通的方式进行检测,只不过励磁电流小得多,只需额定磁通的4%即可进行试验[2],大大减少了试验设备容量,而且可以通过感应线圈发现铁芯齿深部和轭部的故障。

传统的铁芯试验方法和ELCID方法在实际应用中发现了大量的缺陷,但是,也发现有明显过热迹象的某些发电机,采用传统的铁芯试验方法和ELCID方法却无法发现。

例如另一厂#2发电机通风槽板烧蚀,这次某厂的#7发电机铁芯背部过热点等,传统的铁芯试验方法和ELCID方法试验都无法发现异常。

说明传统的铁芯试验方法和ELCID方法并不能发现所有铁芯的过热问题。

2.2发电机铁芯端部结构
大型发电机定子铁芯端部(见图5)的磁场复杂,为了减少铁芯端部漏磁和发热,一般把端部的铁芯段均采用阶梯形结构、在铁芯端部扇形叠片的小齿开小槽、、压圈采用电阻系数低的非磁性钢、加装环形电屏蔽层、加装磁屏蔽等措施[2]。

显而易见,上述措施全部是针对发电机端部定子与转子间的漏磁通所做的措施,尚未考虑发电机端部定子铁芯背部的“漏磁通”所产生的影响。

注意,这里定义的“背部漏磁通”是指有异于经过发电机定子硅钢片、转子、气隙形成的闭合的主磁通,而是通过发电机定子铁芯背部穿出,越过定位筋平面再回到定子铁芯的磁通。

这里指的“背部漏磁通”有异于电机学上定义的不同时交联定子线圈和转子线圈的“漏磁通”。

2.3灼伤情况统计分析与试验方法
上面提到的传统铁芯试验无法发现的铁芯故障(端部铁
图1定子铁芯背部灼伤
点图2冲片鸽尾与定位筋烧伤
点图3某厂同类型机组
铁芯熔焊事故
图4东方600MW发电机端部结构
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芯硅钢片烧伤),出现在多台东方600MW 机组上,而且呈现如下规律:
(1)灼伤点集中在汽机和励磁两端的第一到第五段铁芯的轭背部上,第七段起往后找不到烧伤痕迹;
(2)烧伤发生概率最高在第3-第4段铁芯之间,风道隔板附近;
(3)由于励侧采用风道隔板错叠,风道隔板灼伤明显,对应的背部有很少灼伤点,相邻冲片也很少灼伤,汽机侧端部风道隔板对叠,没有发生风道隔板烧伤情况,但对应的背部烧伤严重,相邻冲片烧损严重,说明错叠风道隔板起到防止冲片烧灼的作用;
(4)从概率统计看,烧伤主集中在风道槽钢边以及冲片的边缘位置,这是因为这些部位漆膜承受应力比较较大,容易击穿烧灼。

根据上面规律,冲片的灼伤与发电机端部的磁场有关,因为电场问题一般反映在线棒上,铁芯是接地的,所以主要考虑端部磁场引起的问题。

由于传统的铁芯试验和ELCID 试验主要是针对铁芯的主磁通来研究铁芯的健康问题,试验时,铁芯的主磁通和背部漏磁通在整段铁芯的中部和端部无明显差异,因此无法对其它磁通产生的危害进行评估和测量。

为了证明推断,因此,研究了一种测量发电机定子端部背面漏磁通分布的试验方法和测量传感器。

试验方法是在转子加入峰峰值不大于励磁电压的工频交流电压(类似于发电机转子膛内的阻抗和损耗测量),用特别绕制是线圈在发电机定子端部的背部测量感应电压,此电压正比于穿出铁芯“背部的漏磁通”。

用同样的探测线圈测量转子与定子气隙间的气隙磁通。

另外,为了考虑定子绕组的影响,可以在定子线圈上加注一定的50Hz 的交流电流,同样的在发电机定子端部的背部各点测量感应电压,从而得出发电机“背部的漏磁通”的分布规律以及和定子电流的关系。

通过该测量方法,可以测出发电机定子铁芯背部穿出的漏磁通的分布规律,经过测量,无论是转子绕组激励还是定子绕组激励,发电机定子铁芯背部漏磁通分布规律一致,即越靠近端部,背部漏磁通越大,越往中间漏磁通越小,第8段以后基本很难测量了,如图5所示。

根据图6结果,结合故障点的分布规律,可以判断缺陷是由于铁芯背部穿出的漏磁通引起的。

缺陷处理方向主要是针对发电机铁芯背部漏磁通的整治。

2.4端部烧伤处理的技术方案
根据上述的试验结果和故障的规律,提出在发电机采取以下端部结构优化措施:冲片的鸽尾和定位筋之间增加绝缘层(端部10段)。

在定位筋与冲片端部鸽尾加绝缘,避免定位筋电压击穿冲片。

这是最有效的隔绝有害定位筋电位差造成铁芯冲片绝缘击穿的措施,绝缘片的绝缘强度完全可以承受主磁通切割产生的最大电位,也就是说,即便是主磁通产生的单匝线圈电压,该绝缘垫片也可以承受。

无论端部饱和多么严重,背部漏磁通产生的电位差也比主磁通产生的线圈电压要低得多,因此,绝缘片的绝缘强度有足够的裕度,不可能击穿。

2.5实施效果
优化方案确定后,发电机被送往生产厂进行改造。

经修复的发电机通过全部的出厂试验,并于2015年2月25日重新并网发电,各项运行参数正常。

该发电机挂网运行一年多后,于2016年12月大修抽转子检查,发电机定子铁芯背部未发现任何灼伤的情况,风道检查也未见冲片鸽尾和定位筋烧伤的情况。

而同期修复的另外一台发电机,由于没有采取绝缘片隔绝的措施,在后面的检查性修理中被发现依然存在灼伤点。

3结论
本文提出的测量发电机端部铁芯背部漏磁通的传感器以及端部铁芯背部漏磁通的测量方法,证明发电机定子铁芯端部烧损与铁芯背部漏磁通相关。

传统的铁芯试验和ELCID 方法,无法反映发电机定子铁芯背部漏磁通的情况,本方法可以补充检查发电机定子铁芯背部漏磁通分布情况,对该型号机组端部铁芯打火缺陷的判断有重要的参考意义。

通过绝缘片隔绝冲片与定位筋,完全阻断了电气回路的形成,确保了端部铁芯硅钢片不会发生片间击穿的情况。

杜绝发电机定子端部铁芯局部灼伤的缺陷。

多大的背部漏磁通会导致端部铁芯烧伤与硅钢片的绝缘以及铁芯压紧后漆膜损伤程度有关,背部漏磁通多大才会产生铁芯烧伤还要经过多机组的试验统计才能得出结论。

参考文献
[1]韩红梅,吴玉峰.贵港航运枢纽抢修4号机发电机定子铁芯试验综述[J].红河水,2015,4:33.
[2]韦威.低磁通铁芯检验技术在沙角C 电厂发电机定子重绕中的应用[J].广东科技.2008,24:148.
[3]倪安华.电气设备及其系统[M].中国电力出版社,2007:44~45.
收稿日期：
2018-5-20
图5铁芯背部漏磁通分布图片（测量到第7段，波谷为风道位置
）
图6铁芯背部漏磁引起的定位筋电位差分布特点
（端部认为被短接
）图7定子铁芯端部冲片与定位筋之间增加绝缘垫片示意图
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