大型抽水蓄能机组定子绕组固定技术与状态评价的分析

赵贵前

（国网新源建设公司，北京市 100053）

大型抽水蓄能机组定子绕组固定技术与状态评价的分析

赵贵前

（国网新源建设公司，北京市 100053）

大型抽水蓄能发电电动机定子绕组固定采用了弹性固定工艺，本文总结了多种弹性固定系统，列举了事故案例，分析了定子绕组固定系统状态评价的方法，供大型抽水蓄能发电机定子绕组固定系统设计和运行维护人员参考借鉴。

蓄能机组; 定子绕组; 弹性固定; 状态评价

0 引言

大型抽水蓄能机组发电电动机定子绕组都采用云母体系结构绝缘，一般选用粉云母为本体，环氧树脂做胶粘剂，无碱玻璃布作为补强材料。无论多么好的绝缘结构，如果绕组固定不好，线棒松动，发电电动机的可靠性和预期寿命都得不到保证。大量事实表明，在发电电动机运行的过程中，定子绕组线棒失效不是由绝缘的电气问题所致，而是由绝缘受到机械损伤引起的，这种机械损伤主要是由于槽内线棒固定松动所致。因此，高质量的定子绕组绝缘系统本身是保证发电电动机具有良好稳定性的重要因素，而绕组固定系统也是实现发电电动机运行稳定的重要因素。

1 大型抽水蓄能机组定子绕组固定系统的要求及型式

1.1 定子绕组固定系统的设计要求

定子绕组固定系统由铁芯槽内线棒直线段区域固定系统和出槽线棒端部区域固定系统两部分组成。

定子绕组固定系统应达到的基本要求有：①在整个发电电动机寿命期内固定有效，不出现线棒松动，甚至不用定期维护，重新楔紧；②承受正常运行( 包括变频和“背靠背”启动)时的机械和电磁等所有振动力；③承受突然短路或缺相运行（瞬间高电流）产生的力；④承受至少达到定子绕组耐热等级相应的热应力；⑤适应来自负荷循环的热运动；⑥保证线棒表面到铁芯槽壁良好的热传递；⑦线棒表面与铁芯槽壁之间具有一定的电气接触而保持良好导电性；⑧安装时的合理机械应力范围下可保证线棒绝缘不受损伤；⑨避免由于振动或热运动导致单根线棒固定部件移动(例如：顶部或侧面弹性波纹板、垫条、槽楔等滑动)；⑩能够对机组运行时轴承油雾（或甩出的油）具有足够的化学耐受性；k能够适应并承受地下厂房湿度和运行中产生臭氧等环境不利因素影响下对其绝缘性能的需求。

1.2 定子绕组槽内线棒直线段固定型式

目前大型抽水蓄能发电电动机定子绕组槽内线棒直线段固定型式都采用了弹性固定工艺型式，不同的发电机制造厂，对于弹性固定工艺型式不尽相同，总结归纳一般不外乎如下三种：①纯使用半导体硅胶作为填充和固定材料的定子绕组固定系统；②使用波纹板的定子绕组固定系统；③波纹板和半导体硅胶相结合的定子绕组固定系统。

1.2.1 纯使用半导体硅胶作为填充材料的线棒固定系统

纯使用半导体硅胶作为填充和固定材料的槽内线棒固定系统可分为基本型和改进型。

基本型原理是在槽底注入半导体硅胶，放入下层线棒，再在下层线棒窄边注入半导体硅胶，放入层间垫条，再在层间垫条上注半导体硅胶，放入上层线棒，将特殊设计的槽楔块放入，通过槽楔上面的注胶孔再注入半导体硅胶，其固定原理结构见图1。这种型式的固定，半导体硅胶和线棒固定在槽内后，线棒表面和硅胶之间及硅胶和槽壁之间粘接牢固,能确保在整个铁芯长度上线棒表面与槽壁具有良好的电气接触。但存在两个致命缺陷，一是注入的半导体硅胶量不好掌握，二是上层线棒依靠槽楔下面的半导体硅胶弹性压紧，达不到理想效果，往往造成上层线棒松动。

改进型只是针对由于受通风槽的影响，基本型注胶量不够而做了改进的“连续封闭槽壁”安装方法。这种封闭槽壁是在通风沟里装一个特制的U型件，这样大大增加了注入的半导体硅胶量，而无阻塞通风沟的风险，其固定原理结构见图2。采用这种方法，半导体硅胶的覆盖率可以达到80%,但这种设计使线棒表面在通风沟内不会直接接触气流，冷却效果稍微差些。然而由于槽楔安装固定工艺不变，上层线棒依然存在固定不实而松动的可能。

图1 基本型纯使用半导体硅胶作为填充材料的线棒固定原理结构图

图2 改进型纯使用半导体硅胶作为填充材料的线棒固定原理结构图

1.2.2 使用波纹板的定子绕组固定系统

使用波纹板的定子绕组固定系统主要有两种，一种是槽楔与上层线棒之间（顶部）使用波纹板，见图3“使用填充材料和顶部波纹板固定线棒的结构图”；另一种是槽内线棒的侧面（单侧）使用波纹板，同时槽楔与上层线棒（顶部）使用波纹板，见图4“使用顶部和侧面波纹板固定线棒的结构图”。波纹板的伸缩自动补偿机械和热应力产生的变形，以保持线棒处在紧固状态。槽楔下安装波纹板保证了线棒径向的紧固，槽侧加装波纹板防止了线棒在切向松动，使得线棒更加稳固。

这种固定系统对弹簧波纹板的材质要求是很高的，它要求波纹板在长期受机械与热应力作用下保持恒久的弹性。对于油雾严重的机组，要考虑波纹板的材质是否会因油的存在而失去“弹性”,油还会成为线圈和铁芯相对运行的润滑剂，造成波纹板滑动，使得波纹板本身的玻璃纤维磨损线棒。使用波纹板的定子绕组固定系统在国内外大型发电机定子中多有采用，应用的时间较长，技术相对可靠。

图3 使用填充材料和顶部波纹板固定线棒的结构图

图4 使用顶部和侧面波纹板固定线棒的结构图

1.2.3 波纹板和半导体胶相结合的定子绕组固定系统

波纹板和半导体硅胶相结合的定子绕组固定系统吸取了纯半导体硅胶固定系统和波纹板固定系统的优点，采用了波纹板压紧，但在保证线棒通体与槽壁电气接触方式上改进了工艺，具体的做法有两种，其一，首先将一定宽度的半导体纸对折，然后在对折的半导体纸内利用专用设备均匀涂上具有弹性的半导体硅胶（或胶状硅脂复合胶），以夹胶后的半导体纸作缠绕带，均匀地缠绕在线棒直线段上（即所有与铁芯壁接触的部分），在胶未固化的情况下，快速放入铁芯线槽。其二，使用专用工具，铺好与线棒直线段长度相适应的一定宽度的导体纸，然后在纸上相对线棒宽面的对应部分均匀涂敷一定厚度的半导体胶，在涂好胶的包敷纸上夹好线棒，在胶未固化时放入铁芯线槽。

波纹板和半导体胶相结合的定子绕组固定系统能有效地保证线棒在线槽内的防晕和固定要求，线棒和铁芯槽壁都有很好的电气接触，基本可以消除二者之间的间隙；由于胶固化前本身的可塑性，使得铁芯线槽壁表面存在的机械公差得到补偿，同时也可以有效地抵消由于铁芯槽段不平在线棒外绝缘表面产生的局部机械应力，这种固定系统由于采用了顶部弹性波纹板压紧固定工艺，既保持了纯半导体胶固定系统的特点，又弥补了纯半导体胶弹性固定的缺陷，使得线棒固定相当牢固。但安装工艺复杂，需要特别的专用工具，容易操作不当而返工。

1.3 线棒端部固定

目前大型汽轮发电机定子绕组线棒端部固定一般采用绑扎式固定结构、压板式固定结构和灌注式固定结构。大型抽水蓄能发电电动机定子线棒出槽后端部相对于汽轮发电机定子要短得多，普遍采用的是绑扎式固定结构。端部支撑环采用非磁性金属材料或高强度玻璃纤维板，在下层线棒与支撑环间垫一条较粗的玻璃纤维绳，用专用工具向绳子注入室温固化的环氧树脂绝缘胶，使之充满玻璃纤维绳，胶固化后，下层线棒与支撑环密实无间隙，玻璃纤维绳与支撑环即成为刚体。在上、下层线棒之间用玻璃纤维绳绑扎固定，这种固定由于玻璃纤维绳在线棒的挤压下，加之空间狭小，注胶量达不到要求，线棒端部固定并不理想。由此做了改进，事先以浸了胶的绝缘材料卷成实心圆柱体适形毡绑扎在以下几个部位，待胶固化后即成为刚体，使线棒在径向和轴向得到加固，分别是①下层线棒与支撑环之间部位；②在支撑环对应的上、下层线棒之间部位；③上层线棒之间部位；④下层线棒之间部位。另外，为了防止线棒出槽口切向振动导致线棒松动，在线棒出槽口加装了槽口楔。见图5“内圈上层线棒端部固定示意图”和图6“外圈下层线棒端部固定示意图”。定子线圈上下端部固定方法是一样的，但下端部较上端部长一些所以固定点要多，而上端部增加了汇流排的安装固定。

2 抽水蓄能机组定子绕组线棒固定系统失效的案例与分析

2.1 案例基本情况

某大型抽水蓄能电厂发电电动机定子绕组线棒在铁芯槽内固定方式为纯半导体硅胶弹性固定。该蓄能电厂机组抽水启动过程中，定子80%接地保护动作。试验确定为定子上层线棒绝缘对地击穿，进一步检查发现有十多根上层线棒窄边层间侧主绝缘磨损严重（见图7），线棒两侧宽边防晕层完好，半导体硅胶尚存，线棒窄边槽楔侧防晕层完好，半导体硅胶尚存，对应下层线棒层间与上层线棒接触面也有磨损（见图8）。最严重部位全部是下端部出槽口层间直线段，而且上端部相对于下端部较轻。

图5 内圈上层线棒端部固定示意图

图6 外圈下层线棒端部固定示意图

2.2 线棒磨损的原因

图7 因松动磨损击穿的上层线

图8 因松动磨损的对应下层线棒

上层线棒磨损的直接原因是固定出现了松动，松动的原因是线棒纯半导体硅胶弹性固定设计和线圈端部绑扎固定设计存在一定问题。线棒直线段压紧固定主要靠槽楔发挥作用，端部要靠端箍环固定，相对于下层线棒，上层线棒的固定要薄弱些，因为它位于铁芯槽口直线段直接受槽楔压紧，对于纯半导体弹性固定工艺来说，很难达到压紧的要求，而且其端部的绑扎并没有与下层线棒绑扎过渡到端箍环上。在多种因素综合作用下，对于上层线棒朝向层间的窄边，由于硅胶量不够，存在大量空隙，对线棒的支撑力度不足，电气接触也不够，这些“少量”的硅胶不断地受到拉伸与压缩，随着时间的推移积累，上层线棒层间窄边表面防晕层不断地被破坏，主绝缘直接与层间垫条撞击摩擦，并在强烈电晕放电“推波助澜”下，主绝缘层研磨粉化，窄边主绝缘越来越薄。绕组上端部上下层间衬垫了间隔玻璃纤维绳，限制了上端部的上下层间径向相对运动，减轻了磨损，而下端部无此结构，所以下端部绕组承受的激振力更大些，接近下端部的直线段层间窄边主绝缘磨损严重而先行击穿。

2.3 案例总结

定子绕组固定设计和制造方面的问题极易导致线棒固定松动。事实表明这种纯半导体硅胶弹性固定，更容易导致上层线棒首先松动。纯半导体硅胶固定设计工艺不能保证槽楔发挥有效的固定作用，加之线棒端部固定设计也不理想，使得上层线棒未被紧紧的固定在线槽内而松动。

3 抽水蓄能机组定子绕组固定系统的状态评价

线棒松动是引发发电电动机定子绕组失效最常见的原因，是否松动就是对定子绕组固定系统的状态评价，怎样去评价呢？松动会有很多外在的表现，要注意在运行中的巡视，检修中的检查与试验，评价依据就在于此。 线棒松动最初的表现就是槽楔或端部固定块松动，这些固定件的松动可以导致单根线棒并逐渐引起大多数定子绕组松动，伴随着线棒防晕层的磨损，出现了电晕放电，臭氧产生，随着时间延长主绝缘进一步磨损，有粉末（或油泥）会落在线棒端部或出槽口。在发电电动机定子绕组直流耐压和泄漏电流测试、定子槽部线圈防晕层对地电位、起晕试验等发电机预防性试验中也会有所反应,相应表现在泄漏电流增大、对地电位超标和发生明显电晕等。

3.1 槽楔状态检查

松动的槽楔可以导致单根线棒并逐渐引起大多数定子绕组松动。通过槽楔状态检查，可以有效评价定子绕组固定系统的状态。

检查不同槽楔的紧度是可行的，这种检查需要发电电动机停机，测试时至少需要移去一个转子磁极。测试结果的分析要区分绕组固定系统型式，对于纯半导体硅胶固定系统开展槽楔紧固程度测试没有意义，对于带有弹性波纹板的固定系统，检查线棒紧固程度的方法是检查槽楔的径向张力，此方法通常需移去转子或者至少一个磁极。测试结果的分析正确与否取决于经验的多寡，因此测试必须由训练有素的人员执行。为了确保所有线棒槽内紧固有效可靠，测试必须定期进行。

3.2 在线监测装置进行分析评价

通过在线监测装置监测线棒的振动、铁芯结构噪声、局部放电、臭氧等可以评价线棒的固定状态。

定子绕组振动测量或松动部件的结构噪声监测(安装在定子铁芯上的传感器)线棒松动也是可以实现的，为了监测全部绕组，原则上应该每个线棒上安装一个传感器，即便用此方法在早期也不可能监测到每个线棒的松动槽楔。

在线局放监测装置难以区分线棒绝缘本身缺陷局部放电和线棒表面电晕放电，特别是表面电晕放电的种类是线棒对线棒电晕放电还是线棒的槽放电等电晕活动，对于运行单位人员来说做出准确的判断太难了。

臭氧监测线棒松动的局限在于，仅仅能监测到可能存在松动，单根或某些具体线棒的损坏几乎无法证实。

目前单一的永久在线监测定子线棒槽内固定状态虽然是可行的，但早期松动都无法实现检测。

3.3 定期检查进行分析评价

理想地讲，松动的定子绕组在铁芯槽内部分和端部都可以通过仔细目测发现，例如可以通过由于振动磨损产生的粉末（或油泥）沉积来确认。只要维护人员达到一定专业水平，定期检查是可以发现问题的。通过已经有磨损的痕迹即使是表面上的，也可以确定绝缘系统由松动磨损而被破坏。

专业的目测检查和大量的离线预防性试验测试仍然是早期发现绕组绝缘系统问题的有效方法，例如线棒紧度检查、绕组端部振动检测、松动的槽楔检查、定子绕组直流耐压和泄漏电流测试、定子槽部线圈防晕层对地电位测量、起晕试验等。

3.4 紫外线摄像进行分析评价

利用紫外线摄像开展定子绕组固定状态评价也是很有效的方法，但必须停机拍摄。受现场空间限制，测试时至少需要移去一个转子磁极。如果安全措施达不到要求，测试时则需要将定子吊出。

紫外线摄像检测时应分相加压，如果紫外线摄像机没有观察到定子绕组表面的电晕放电，这些被测线棒固定状态就通过了检查。反之，则要在所有检查出电晕的线棒上进行黑暗试验。试验时，施加1.1倍额定交流电压，观察人应在黑暗的环境下适应15min后再进行肉眼观察，由于紫外线摄像机比肉眼更加灵敏，为了达到效果，应人工目测的同时用紫外线摄像机进行摄像。电晕起始电压随着温度的上升而降低，紫外摄像试验或黑暗起晕试验，要根据现场环境温度适当调整试验电压，以补偿试验在停机状态温度而不是在机组运行工作温度下的误差。

4 结论

大型抽水蓄能机组定子绕组固定系统可靠性的基本要求是防止由于正常运行、突然短路(瞬态高电流)、机械振动或热载荷应力产生的机械力造成线棒绝缘损坏。良好的设计是保证定子绕组固定系统状态可靠的先决条件，投运后的状态检查评价为检修维护提供决策依据。对于高转速大型抽水蓄能机组定子绕组固定系统采用波纹板弹性固定或半导体硅胶结合波纹板固定都是很有效的设计。

赵贵前（1971—），男，高级工程师，主要研究方向：水电设备技术与物资管理。893039742@qq.com

Analysis of Stator Winding Fixation Techniques and Its Condition Evaluation for Large Pump-Storage Units

Zhao Guiqian
(State Grid Xinyuan Construction Company Limited Xicheng District, Beijing 100053, China)

Elastic wingding fixation techniques have been used in stator winding support systems for large pump-storage units. This paper sums up some form of elastic winding fi xation techniques, cites one generator accident, analysis the condition evaluation of stator winding support systems . It have certain reference value for the designer and maintainer.

pump-storage units; stator winding ; elastic fi xation;condition evaluation