汽轮发电机定子铁心故障.doc

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汽轮发电机定子铁心故障

姜　茜　编译

摘　要　本文根据1970年代至2000年代几台大型汽轮发电机的铁心故障，分析论述了大型汽轮发电机定子铁心故障的几种成因：

涡流、漏磁通、异物、振动等，介绍了致使定子铁心故障恶化的三个因素：

瞬态干扰、叠片间电容和氢的分解。

本文对预防大型汽轮发电机定子铁心故障有一定参考价值。

关键词　发电机汽轮发电机定子铁心故障涡流叠片

1　引　言

1960年代和1970年代初期，许多定子绕组水冷的500MW及以上容量的大型氢冷发电机投入运行。

其中很多机组出现了铁心端部发热问题。

　　1968年，英国中央电业管理局（CEGB）系统首台500MW发电机在高超前功率因数下运行时存在困难，出现比较严重的铁心故障，部分发电机定子铁心熔化损坏，几台发电机存在较为严重的端部发热问题，导致长期运行受到限制。

据1968年报道，美国TurkeyPoint电厂#3机曾发生一次大的铁心故障，铁心熔化金属从一个定子槽流出达17英尺长，甚至流到了机壳内（见图1）。

图1　熔融金属流出造成的铁心故障

　　铁心故障带来的损失是惊人的。

首先是维修成本；其次是发电机停运时的发电收入损失成本。

2000年11月24日，美国犹他州PacificorpHunter电厂#1机发生铁心故障，要求定子全部重新改造，到2001年5月8日机组重新投运前，估计净售电费损失即达2.701亿美元。

　　图1所示的这类故障是罕见的，这个例子值得注意。

在线棒绝缘完全损坏，漏电保护系统动作、发电机跳闸之前，已有约500kg的铁心叠片被熔化。

　　实际调查显示，定子铁心故障和端部发热问题在许多大型发电机上都出现过。

各制造厂商采用大量仪器测量端部磁通、涡流、叠片间电压及温度，但仅有少部分实验工作进入公共领域。

这种观点是作者通过检验大量发电机的成型部件，根据多台存在铁心端部和铁心背部损坏的发电机的检验结果得出的。

1970年代和1980年代早期，一些发电机亦存在大面积的铁心故障损坏。

典型定子齿沟损坏见图2。

部分结果采用其他人在这一领域的工作成果，部分结果则来源于近年就发电机故障调查期间对本课题领域的重新审视。

图2　典型的定子齿风沟损坏

2　发电机磁路中的涡流

发电机内涡流限制了磁路内磁通可以改变的速率，涡流可能产生相当大的热损耗，通常采用薄冲片形成的磁路来减小涡流。

装压前叠片要经去毛刺、清洁和涂漆绝缘。

变压器和旋转电机的铁心结构原理十分相似。

如果相邻叠片间的绝缘遭到破坏，比如由于发电机定子齿机械损伤，必将导致局部涡流增大，并有可能出现局部过热点。

表面热点通常可以通过静止环磁通实验检测到。

内部过热点，例如叠片表面之间、叠片间破坏处的过热点，检测就很困难。

叠片间点焊破坏实例见图3。

图3　叠片间点焊破坏

大型交流电机内，定子铁心通常由许多扇形叠片布置成环形结构，通过定位筋安装于定子机座内。

上下层叠片接缝一般偏移扇形叠片的1/2或1/3，所以对接缝处的磁通可以容易找到通向邻近叠片的通路，以降低整个铁心磁路的磁阻。

3　由异物导致的层间破坏

我们尚不清楚，诸如螺母、螺栓、垫圈或金属屑等金属异物，是从哪种途径进入转子/定子气隙或定子铁心内轴向风道。

随着时间的推移，异物会使叠片边缘发生振动，损坏叠片绝缘，使相邻叠片接触，有可能导致很多叠片连在一起，由此造成局部发热点。

对大型两极发电机来说，铁心主要部分的叠片间电压并不高，通常对0.35mm的叠片为50mV左右。

因此，如果损坏仅发生在一些叠片上，且铁心与机座接触良好，故障就可能不被觉察。

通常，肉眼所见定子齿表面像抛光一样的损坏是在例行检查时检测到的，多数情况下，叠片绝缘可以修复。

一种修复方法是用磷酸电解腐蚀叠片边缘，清洗表面，然后利用毛细管作用将环氧树脂渗入叠片间。

4　由定子齿振动引起的层间破坏

铁心制造中最难的一个环节是确保铁心叠装紧而均匀，确保单张叠片没有任何部分（例如定子齿）能轴向自由振动。

叠装不良的主要原因是叠片厚度不均，冲制的钢片往往边缘最薄，中间最厚。

由于大的扇形叠片几乎总是按磁轭与轧制方向一致进行冲切，因此定子齿部及铁心背部的冲片厚度总是小于槽底以下部位的厚度。

所以，除非制造铁心时进行多次测量以补偿厚度的累积差，或者将铁心粘在一起，否则在铁心某处即会出现齿部松动现象。

如果靠近径向风道的齿部叠片出现松动，则将承受试图将齿部与铁心本体分开的轴向力。

在一定时间内，叠片部分可能产生疲劳甚至发生断裂，给相邻叠片留下空间产生振动，以同样方式导致疲劳和断裂。

最后，整个定子齿部也许会消失。

遭到破坏的部分可能以同样方式造成进一步破坏，就像其他异物进入造成的破坏一样。

5　涡流引起的端部发热

传统交流发电机磁路的主要有效部分中，磁通有径向分量和和周向分量。

对每一铁心端部来说，由于来自端部绕组的励磁电流周向分量，定子铁心内将产生轴向磁通分量，使铁心压板中容易产生循环涡流。

在大型旋转发电机内，由转子和定子端部绕组内周向电流引起的轴向磁通非常大，会在定子铁心端部及铁心压板内产生较大涡流，这些周向/径向涡流又会导致大的损耗，尤其在槽部区域底部，特别是大型汽轮发电机中，因为这些发电机的比输出功率很大。

远离超前功率因数区运行时，端部损耗最高。

降低铁心端部涡流损耗的方法很多，如：

（1）在铁心端板上装导电屏蔽，起磁偏流器的作用。

（2）铁心端部呈阶梯型，以局部增加转子/定子间气隙的磁阻。

（3）对叠片进行分段。

（4）转子齿上开窄的槽，以加长涡流通路，增加通路电阻，减少涡流及涡流损耗。

（5）在叠片上另刷绝缘漆。

因此，铁心端部设计应予综合考虑，既要涡流损耗小，又要保持适当的磁特性、热特性与机械特性。

然而，仅注意总体设计的作用并不大，还要注重细节问题，如：

叠片采用低损耗钢；保证冲压和模具的质量；冲压后充分去毛刺；去毛刺后清洁干净；绝缘涂漆的清洁度；叠片的分段和搭叠；仔细认真的铁心叠装；铁心制造过程及运行中维持铁心均匀压力。

即使仔细设计，在稳态工况下铁心端部叠片间的电压水平也约为铁心主体内的40至50倍，在瞬态工况下则更高。

因此，叠片间绝缘中极不重要的瑕疵对铁心端部而言也是相当大的缺陷。

有时候，铁心端部若存在较大发热，槽后最外层绝缘的漆就要褪色。

典型的例子是，在许多槽后面和发电机两端都可以看到热褪色的痕迹。

此外，或许还存在更多局部发热迹象，例如，在接缝部位，或有时在偏离叠片边缘的表面间，即存在局部发热问题。

可见，瞬态还可能产生叠片间绝缘损坏。

6　背部铁心漏磁通引起的问题

型发电机定子铁心端部产生涡流的另外一个原因是背部铁心漏磁通。

该磁通是电枢磁通的一小部分，不在铁心内，而是通过铁心后面的空间，试图进入机座周向部件。

机座轴向部件（作用像一个鼠笼）也要受到漏磁通的影响，发电机端部机座的周向部件提供返回通路。

通常铁心通过轴向定位筋直接与机座相连，将转矩的作用传到机座。

由于叠片铁心的阻抗比机座的小，因此铁心电流返回时，试图经由铁心（而非机座）在铁心端部完成环形通路。

如果铁心不是承受转矩阻抗和椭圆形作用力，则铁心背部电流会周向通过铁心流通。

相对移动的结果会导致铁心间断地与定位筋接触，在铁心背部产生电弧（见图4）。

图4　铁心背部产生的电弧现象

（1）一些制造商的解决办法是，在每一根定位筋与机座之间放置铜片，并将其在铁心每一端与环形铜带连接，一个在铁心一端，构成一个真实的鼠笼。

在此基础上，周向电流都将更愿通过铜条，而不是机座或铁心。

（2）另一些制造商采用将定位筋与背部铁心焊接在一起，以保证电流总是通过为它提供的背部铁心磁路。

（3）还有一些制造商采用半绝缘铁心，一根定位筋接地，以提供定位筋-铁心绝缘破坏时的漏电保护。

哪种方案最佳，并无明确答案。

在多数情况下，铁心背部起弧只是局部铁心与机座焊接的结果，因此，随着时间的推移，整个铁心良好接地，停止起弧。

然而当铁心背部出现起弧现象时，损坏就不仅仅局限于背部铁心。

例如，叠片间绝缘也许承受电应力，在远离铁心背部的薄弱点、定子齿上、槽底或轴向通风沟等处可能出现叠片间破坏。

如果输入足够能量至叠片间破坏处，这可能导致重大的局部损坏。

与此同时，大量的叠片间破坏可以使铁心端部损耗显著增大。

7　恶化因素

7.1　瞬态干扰的作用

在诸如突然短路、电网崩溃、磁极滑移等瞬变工况下，定子电流可以上升到稳态值的数倍。

即使这样，主磁通也不会产生很大变化，因为定子磁通瞬时即会升高，转子阻尼绕组中的涡流增大，以试图保持漏磁通不变。

然而，在端部，端部绕组安匝及转子阻尼绕组的阻尼电流倾向于相互增大而不是互相削弱，结果是显著增加轴向磁通铁心端部的铁心漏磁通。

由于叠片间绝缘会承受高的电应力，因此绝缘薄弱点多半会遭到破坏。

由于铁心与机座间的相对振动情况复杂，瞬变工况下又最为明显，从而导致端部铁心与机座定位筋间的间断接触比稳态负载下更多。

7.2　层间电容

许多运行发电机的铁心存在某些痕迹，痕迹有时很小，可能被忽略，有的则可能在端部叠片边缘发现。

这些痕迹还可以在背部铁心、齿部、风道槽处或表面间发现。

当然，无论在哪儿都可能存在绝缘薄弱点，其结果是常常发生微观点焊现象。

有时，这种焊接会扩大到几张叠片。

一种可能的解释是，铁心端部叠片初始状态为大的平板电容器，这些电容器板因铁心与定位筋的接触短路。

无论何时，铁心-机座间的接点一旦受到破坏，电感性电流就会不断流入开路电容器，使叠片间的电压快速升高，产生电容充电，直至叠片间遭到破坏为止。

当所有电容放电能量放电出现故障，或者直至存储的电容能量等于最初的电感能量，就会进入脉冲放电状态。

经过论证，叠片间绝缘越好，破坏发生前叠片间储存的电荷越多，重大叠片间破坏前的电容量也越大。

电感/电容现象能够在实验室受控方式下用两张叠片进行验证。

两张叠片作为电容器板，叠片间接一只开关，再串一个电池和电感线圈。

打开开关，绝缘薄弱点会被击穿；在击穿点插入绝缘，再打开开关，另一个薄弱点又会出现击穿的情况。

此时闪微光，如此继续下去。

最后，能量输入足以导致破坏点的焊接。

实验可以有多种显示，举例来说，油的改性，它将增大破坏点的介电强度，并将其破坏移至其他地方。

图5为人工产生的叠片间电压的电路。

图5　人工产生的叠片间电压的电路

7.3　氢分解可能造成的影响

大型发电机的冷却剂常采用氢气，当氢气承受电弧高温时，会使氢原子分解，分解非常活跃。

从氢原子分解可以找到发电机端部局部铁心烧坏有全尺寸铁心故障之间的联系。

氢气产生的电弧是局部的，电弧具有很高的导热特性，这种特性不能由热传导、对流或辐射来解释。

分解过程中，氢分子吸收电弧热量分解变为氢原子。

接着，当氢原子有催化剂时，氢原子重组，放出热量给催化剂。

像铁这样的金属即是很好的催化剂，可以加热至灼热状态，或在距离电弧3～5cm处熔化。

导热率约为氢分子态的12倍，并不要求大量氢气传递大量的热量。

传热效率较高，从离金属表面3mm的82%到35mm时的55%。

能量主要传给电弧附近的金属，引起比暴露在空气中更大的破坏。

氢分解的影响很好理解，实际上是利用氢电弧焊接过程，但尚未证明是铁心故障扩大的因素。

然而大型发电机的铁心故障包括氢环境下的起弧，因此可以认为氢的分解发挥了作用。

8　讨论和总结

大型汽轮发电机比出力在每米铁心有效长度下为70MW左右，每克硅钢在熔点的热容量约为1330J/gm。

因此，如果1m长铁心输出的能量输入铁心上可能出现的一个发热点，从理论上讲，忽略辐射、对流及传导损失，就会以54kg/s的速度将金属熔化。

我们知道，就会发生几百公斤铁心熔化的铁心故障。

这使我们认识到，如此大量的熔化仅在几秒内即可出现。

我们已知道，叠片间电压可能瞬时增高和产生局部破坏的机理，局部破坏可以是点焊形式，也可能是较轻的破坏。

此外，大型发电机定子冷却剂的氢气是很洁净的。

如果在存在电弧时分解，它将是一种非常有效的传热介质。

由于定子铁心内存在很高能量密度及可能的叠片间的破坏，故会导致涡流增大