1750 MW发电机定子绕组端部压板破裂分析与处理.pdf

发电机定子绕组端部压板破裂分析与处理林 教郑俊锋张 峰(台山核电合营有限公司台山)摘 要:发电机为在运容量最大核能发电机但缺乏成熟的设计制造经验 发电机容量增加给端部固定结构设计带来严峻的考验制造期间曾出现材料设计选型问题导致定子端部绝缘压板出现破裂现象 本文对定子绕组端部固定上层压板破裂原因进行分析研究处理方案给后续大型发电机设计制造、运行维护方面提供经验借鉴关键词:发电机定子绕组端部绝缘压板开裂中图分类号:文献标志码:编码:././.(.):.:引言随着发电机单机容量的增大线负荷和线棒的损耗也随之增大导致端部漏磁增加端部各结构件中涡流损耗和温升都将增大 端部绕组在端部强大的电磁环境下会受到很大的电磁力作用由其产生的机械振动会导致绕组及引线的绝缘磨损和疲劳断裂破坏引发安全事故 因此大型汽轮发电机定子绕组端部振动是设计、制造和运行中不可忽略的问题机组在稳态运行时定子绕组端部主要承受绕组中的电流与漏磁通之间的相互作用力和定子铁心承受转子磁拉力引起的两倍系统频率的振动两种交变载荷 定子线棒固定在铁心槽内转子磁拉力引起的两倍系统频率的振动主要作用在定子绕组端部 如果定子绕组端部的固有频率接近 在运行中绕组端部将会产生较大的谐振振幅且以绕组端部整体模态频率接近 、振型为椭圆时最为严重 近年来国产和进口大型汽轮发电机由于定子绕组端部谐振或其他原因绑扎、支架固定螺栓、槽内紧固件松动和线棒绝缘磨损的现象时有发生 所以定子绕组端部在机械上的可靠固定和防止两倍频电磁振动造成的危害成为重中之重运行与维修上海大中型电机.某核能发电机型号 由国外公司设计国内电机厂制造是目前在运容量最大的核能发电机组 发电机为 极、三相、隐极汽轮发电机定子采用三段式机座结构由定子中段、汽端端罩和励端端罩组成现场就位后与出线罩、顶部通风罩等部件组装焊接成一个整体 主要参数见表:表 发电机主要参数视在功率额定功率额定电压频率功率因数效率额定转速短路比额定氢压绝缘等级./.级 发电机属于新设计机型在设计制造阶段定子端部绝缘固定上层压板曾出现过开裂等问题 本文对定子绕组端部固定结构特点和压板破裂原因进行分析查找破裂根本原因并制定处理方案给后续国内外大型发电机设计制造、运行维护等提供经验借鉴 定子绕组端部固定结构特点 发电机定子端部绕组采用锥环和压板固定方式由不锈钢轴向弹性环、绝缘锥环、层间压板、上层压板、绝缘螺杆、内撑环等组成见图 端部绕组固定结构由径向固定和切向固定组成 径向固定由绝缘锥环、层间压板、上层压板、撑块、绝缘螺杆、内撑环等组成 绝缘锥环采用环氧树脂玻璃纤维缠绕成型件加工与绕组接触面刷涂一层室温固化的高阻防晕漆 绕组端部压紧固定绝缘件采用与锥环相同材料的绕制加工的撑块和用环氧玻璃毡层压板加工的压板通过 绝缘螺杆连接固定并用“爱牢得”黏接胶粘接为一块整体通过 绝缘螺杆组合固定 端部绝缘锥环、撑块及其层间、上层压板与线棒接触面上铺垫浸渍衬垫复合毡垫确保线棒、压板及锥环间缝隙塞满塞紧见图 图 发电机定子端部绝缘固定结构图 定子端部绕组径向固定结构.发电机定子绕组端部压板破裂分析与处理运行与维修 端部绕组切向固定分同相和异相两种结构 同相间隔垫块为不同厚度的环氧玻璃布层压板加工而成根据图纸确定间隔块位置后将合适厚度间隔块用一层浸渍热固化高电阻防晕漆的针刺涤纶毛毡围包塞入规定位置 端部异相线棒间的间隙采用浸渍热固化高电阻防晕漆 厚的无碱方格玻璃布塞垫见图 图 定子端部绕组切向固定结构 发电机定子 槽相比 机型发电机定子 槽定子槽数增加一倍 因此在定子端部紧固结构设计上进行相应的设计调整包括绝缘压板的材质、尺寸、每块压板的螺杆数、紧固力矩等方面进行适应性设计具体参数对比见表 表 不同机型端部绝缘压板设计参数对比参数对比压板厚度/螺杆紧固力矩/受力臂长/每块压板螺杆数量 机型 机型.问题背景 发电机首台机定子下线过程中在进行端部绝缘紧固件装配内撑环安装就位后分步拉紧压板绝缘螺杆在拉紧绝缘螺杆至 (额定值)时发现上层压板出现破裂现象 经统计励端 块上层压板全部破裂汽端 块上层压板破裂(见表)破裂上层压板见图 表 定子端部绕组压板破裂统计部位上层压板图号 破裂数量总数量破裂数占比汽端励端图 定子端部绕组上层压板破裂 原因分析.装配工艺问题分析根据设计图纸绝缘螺杆拉紧力为 装配时分步拉紧定子烘培前使用 拉紧紧固烘培后使用 复紧本次上层压板破裂发生在定子烘培前紧固工序 复盘制造厂装配工艺文件确认与设计方工艺文件一致定子下线过程严格按照文件执行根据图纸顺序用 拉紧所有绝缘螺杆在内支撑环工具的 螺栓上先后施加 的力矩使得内撑环与连接板之间接触检查内撑环表面与铁心平行度测量内撑环和铁心之间的距离并保证和压板接触良好见图 图 上层压板装配过程运行与维修上海大中型电机.在使用 拉紧螺栓过程中出现上层压板破裂现象 为排除制造厂自身装配原因决定使用同批次加工的 号机绝缘上层压板进行更换在设计方代表全程指导、见证下重新进行装配结果同样出现破裂现象 此后设计方对装配工艺文件进行四次升版细化了绝缘螺杆力矩紧固顺序、压板适形毡制作和铺设要求但上层压板装配均出现破裂现象排除了制造厂装配工艺及现场操作不当造成上层压板破裂.材料设计选型问题分析核实破裂绝缘压板材料牌号 为环氧玻璃纤维缠绕件按国外设计方技术规范要求采购从某国 进口材料性能参数见表 技术规范对绝缘压板轴向和径向的抗压强度进行规定但对垂直方向的机械性能未作要求 从实测结果看绝缘压板轴向和径向抗压强度相差较大 从破裂压板照片看裂开方向与纤维绕制方向相同用手拉扯就可轻松拉出纤维细丝见图 显微镜放大 倍后发现纤维方向顺着绕制方向规律排列没有交叉几乎成平行且各纤维间并未发现明显环氧树脂胶粘接痕迹见图 表 发电机端部绝缘压板材料参数性能指标试验规范参数要求实测值(励端)实测值(汽端)纤维含量 ().轴向抗压强度 .径向抗压强度 .抗弯曲强度 .图 绝缘压板纤维方向图 放大 倍后的照片发电机正常运行中定子端部绕组承受强大的交变电磁力、多种机械应力、热应力综合作用由其产生的机械振动会导致绕组及引线的绝缘磨损和疲劳断裂破坏材料设计问题将使危害结果加剧引发安全事故 总结本次质量事件存在几个方面问题:设计上对压板垂直方向的机械性能未做要求观察开裂压板部位各纤维之间无环氧胶黏接在纤维绕制工艺上纤维方向单一 如此重要受力结构件其纤维的绕制方向必须是相互交叉才能保证垂直方向和水平方向的机械性能因此绝缘压板破裂问题产生的根本原因是压板材料设计和选型不当选择的纤维方向单一未考虑各向受力要求同时纤维绕制件中各纤维间未进行粘胶最终导致压板在装配过程中承受应力出现破裂 方案制定及处理结果国内各大电机厂在端部绝缘紧固件已有成熟的应用经验环氧玻璃毡层压板具有各相同性、机械加工性能好、介电性能高、不分层、不翘曲等独特的优异性能已经获得行业认可 环氧玻璃毡采用电工无碱玻璃纤维切成 长均匀的分散铺成各种标重(/)涂上 的黏结剂再经烘焙而成 因纤维杂乱无取向制成的层压板机械性能具有异向性能大致相同的特点 以无碱短切玻璃纤维毡为增强材料浸以环氧胶黏剂制成.发电机定子绕组端部压板破裂分析与处理运行与维修预浸渍料压制成的环氧玻璃毡层压制品具有优良的力学性能和可加工性在国内外大中型发电机设备制造中已广泛应用并主要加工成螺杆、螺母、槽楔、支撑和固定件用于大型汽轮发电机绕组端部固定克服了用金属固定件而容易发生的爬电现象从而大大提高了大型发电机运行的可靠性查阅 标准 参数指标要求中弯曲强度为 因其各向同性各方向承压能力大的优异特点 经多方论证并报国外设计方同意最终使用 替代原 压板材料 新加工的上层压板见图 图 新上层压板及定子下线完成后照片确定处理方案后重新加工端部上层绝缘压板使用新的上层压板进行装配后经各方检查确认无异常 按正常装配工艺进行定子烘培定子烘培后使用 拉紧上层压板绝缘螺杆检查无异常最后对压板等定子端部绝缘紧固件刷绝缘漆上层压板破裂问题得到解决顺利通过出厂型式试验验证 号机也参照 号机处理方案进行制造并通过出厂试验验证、号发电机工程安装交接试验定子端部绕组固有频率和模态试验合格 年 号机首次解体大修 年 号机首次解体大修均进行定子端部绕组固有频率和模态试验合格满足/隐极同步发电机定子绕组端部动态特性和振动测量方法及评定要求均避开了 结论 发电机作为新设计机型缺乏成熟的设计制造和运行经验容量的增加给端部固定结构设计带来严峻的考验 在工厂制造期间出现上层绝缘压板破裂问题根本原因是压板材料设计和选型不当选择的纤维方向单一未考虑各向受力要求同时纤维绕制件中各纤维间未进行粘胶最终导致压板在装配过程中承受应力出现破裂 经研究选择具有各相同性、机械加工性能好、介电性能高、不分层、不翘曲等独特的优异性能的 环氧玻璃毡层压板替代原 纤维绕制压板材料通过出厂型式试验验证 号机参照 号机也使用新加工上层压板进行装配顺利通过出厂试验 端部压板破裂问题得到彻底解决作为全球在运容量最大核能发电机组缺乏成熟运行经验考验日常运维期间需通过定子端部绕组振动在线装置和定期执行定子端部绕组固有频率和模态试验从在线和离线两种手段监测评估定子绕组端部结构紧固状态确保发电机保持安全稳定运行参考文献 王玉田袁晓红.大型汽轮发电机定子绕组端部固定方法.大电机技术():.林教张峰孙延旭.发电机定子铁心试验方案研究与应用分析.大电机技术():.朱焕成韩晔薛鹏等.玻璃毡板的研制及批量生产中存在问题的探讨.绝缘材料():.作者简介:林教男 年生 年毕业于武汉大学电气工程与自动化专业高级工程师 年起参与台山核电发电机设计采购管理、发电机驻厂监造、现场发电机安装、调试现从事发电机维修工作欢迎来稿欢迎订阅运行与维修上海大中型电机.