飞来峡机组阻尼条熔断的设计分析

摘要：介绍飞来峡组磁极阻尼条熔断情况，并从机组的基本设计出发，重新进行了电磁，特别采用有限元方法对瞬变电磁场、采用国际流行的商业软件ANSYS对温度场进行理论计算，借助于国内对此类机组设计的经验，从阻尼绕组设计、定子槽数及气隙设计、齿谐波及斜槽设计、阻尼系统损耗、电磁振动等方面综合分析问题所在，并提出解决方案。

关键词：飞来峡发电机组　磁极　阻尼条　谐波　振动　电蚀

前言

飞来峡机组是由奥地利的依林（ELIN）和奥钢联（MCE）合作生产的贯流式水轮发电机组，电厂装机为4台35.5mw，分别于99年7、8、9投入运行。01年11月，在对2#发电机进行第二次计划性检修中，发现全部72个磁极中有10个磁极都出现第三根阻尼条（旋转方向最后一根）的中部熔断的严重现象。我们立即对1#、3#、4#机进行了检查，也发现第三根阻尼条均有过热现象；再检查发电机的保护，结果表明保护整定值均符合厂家的要求，未出现变值和误动作情况；全面检查一年来的运行记录数据，也未发现负序及失磁保护动作，机组在运行过程中也没有出现过三相不平衡及短路现象。

飞来峡发电机组的阻尼条熔断事故性强，特征典型，笔者曾主设过灯泡式水轮发电机，现结合我局会同有关设计单位的计算提出掘见，愿此分析不仅有助于飞来峡发电机组具体事故的处理，同时对其它电站类似问题处理及贯流式水轮发电机组的设计也具有借鉴作用。

１　发电机设计有关电磁参数

发电机型号：Sv725/72-183，灯泡贯流式机组

额定出力：39.0MVA　额定电压：10.5kV（±5%） 额定电流：2144.4A

额定频率：50Hz　　飞逸转速：265.0rpm　　额定转速：83.3rpm

额定功率因数：0.9   励磁电压:163.8V      励磁电流:1079.0A

短路励磁电流:561.7A    空载励磁电流:580.4A 

定子：  槽数Z₁=324   铁芯内径D₁=736 mm 

        槽距 t₁=71mm  槽宽 b_n=26 mm

阻尼条：3*Ф16 mm  阻尼孔距t₂ =64.1mm  单边气隙δ=9 mm

2      机组磁极故障情况

在01年11月对2#发电机进行第二次计划性检修中，发现一台机的全部72个磁极中，有10个磁极出现第三根阻尼条中部熔断（见图1），大部分阻尼条都出现断裂，槽口撑破，断裂主要从阻尼导体轴向的中部开始，阻尼条挤出槽口后，在气隙中挤压变形，甚至有些甩出，即使未断裂的阻尼条也已明显可见从槽口处变形凸起（呈吐舌状）；其余磁极的阻尼条虽然没有熔断，但也有多处过热现象，所有磁极的过热程度均以顺旋转方向第三根（最后一根）最为严重。我们即时对另外对1#、3#、4#发电机的磁极进行的仔细检查，虽未发现有铜块掉落的现象，但对各拔出的两个对称磁极进行检查中，都发现第三根阻尼条处均有过热现象，说明存在潜在性的缺陷。检修人员对2#发电机的保护进行了全面检查，保护整定值均符合厂家的要求，未出现变值，并且动作正确。调阅一年来的运行记录数据，保护动作记录未发现负序及失磁保护动作，发电机负序电流并没有超过整定值，或者三相不平衡及短路现象。

图1 阻尼条从槽口断裂、甩出

至本文撰写即03年3月，1#、3#机组的阻尼条也熔断，各机组到出现问题的运行时间分别为：1#机1.98、2#机1.2、3#机1.7万小时。

3 原因分析

由于飞来峡机组的阻尼条熔断４台机类似，属于典型、规律性的案例，所以我们从基本电磁方案设计和电磁场理论入手分析探讨。

3.1 阻尼绕组设计

飞来峡机组定子为324槽，槽距为71mm，转子每极阻尼为3根，槽距为64.1mm，槽配合t₂/t₁=0.90。t₂/t₁的大小影响气隙谐波，按国内设计经验一般选在0.72∽0.85。假设气隙均匀，对定、转子不同槽配合情况下的磁导谐波进行分析。通过数值计算表明，t₂/t₁在接近于1和0.5时，磁导波形畸变率都将增大（见表1）。

表1 定转子槽距比对波形畸变率的影响

3.2 定子槽数及气隙设计

图2   空载磁场分布                      图3   负载磁场分布

通常情况下，电机气隙大小的选择对磁场的谐波情况影响很大。定子的磁势谐波与磁导谐波，经过气隙将迅速衰减，通常的设计取。当气隙较大时，定子谐波传到转子时，经衰减变得很小。飞来峡机组的=2.9, 上图2、图3分别是经有限元计算得出的空载和负载的磁场分布，由此可见由于定了气隙偏小，因而到达转子的定子谐波仍然较大。

3.3 齿谐波及斜槽设计

磁势谐波波谱中不仅有奇数次谐波，而且有偶数次谐波（其中影响最大的为齿谐波）。偶数次谐波不会在定子绕组中产生电势，但却会在转子绕组和铁心中产生损耗，增加发热，并引起转矩脉动与振动。磁势谐波分析的结果如图4所示，可见选择一个槽距的斜槽位移可以最大限度地抑制磁势齿谐波。飞来峡机组定子每极每相槽数为、线棒斜半个槽距，其一阶齿谐波幅值较大。

            图4 各次谐波磁势幅值的分布图（%）

3.4阻尼系统损耗计算

采用瞬变电磁场的方法，对飞来峡机组运行过程中的转子阻尼绕组损耗计算，从见表2的结果可见第三条阻尼条（其排列见图5）的谐波损耗很高。

表2  阻尼条损耗计算结果

图5 阻尼条编号示意图　　　　　　图6 电磁力与离心力的关系示意图

3.5 电磁振动分析

1) 负序磁场在转子上产生100Hz的旋转磁场，引起200Hz频率的电磁振动，但飞来峡机组运行记录未出现负序电流过大的情况；

2) 阻尼条谐波电流引起的高频振动。当阻尼条谐波电流较大，而贯流式机组的转子直径较小，会产生的阻尼条振动；

3) 谐波磁场如5次与7次谐波在转子上感生300Hz频率的磁场，并产生600 Hz频率的电磁振动。这些振动都可能造成阻尼系统的损伤。

用有限元对飞来峡机组阻尼条电磁力计算结果如表3所示。在额定运行情况下，阻尼条离心力的计算结果为640N，可见第三根阻尼条的电磁力远大于离心力，这样就造成了第三根阻尼条在运行时的剧烈振动（见图6）。

表3  阻尼系统电磁力分析

4 综合分析及改进措施探讨

4.1  综合分析

图7 阻尼条温度结果

采用ANSYS计算表明飞来峡机组正常额定运行时，阻尼条温度为171∽183℃，这不足以造成如此事故；主要原因是阻尼条与其孔壁因振动而引起放电打火，由此产生局部高温，使导条材质变软、铁心强度变弱，造成阻尼条在离心力的作用下冲破槽口进入气隙，即是电蚀所致（放电侵蚀，不同于电腐蚀），如图8所示。

4.2 改进措施

根据以上分析结果，虽然改造定子是最理想的，但从性和时间等综合考虑，提出阻尼系统改进措施如下：

1)   增加阻尼条直径，一方面降低阻尼条的电流密度，另一方面可以使阻尼条的离心力增大，从而克服电磁力引起的电磁振动；

2)   降低阻尼条节距改善槽配合，以减小电机的磁导谐波，降低阻尼条电流；

3)   加大电机的气隙，以抑制定子谐波磁场对转子的影响。

4)   减小阻尼条与阻尼条孔之间的配合间隙，可抑制和减小阻尼条上存在的电磁振动。

5     结束语

机组阻尼条断裂事件除在飞来峡外，还在湖南凌津滩（日立）（99年1月）、广西贵港（ABB）（02年3月）发生过，最为严重的也都是沿旋转方向的最后一根。

飞来峡水利枢纽管理局与奥地利ELIN公司，于02年6月进行的谈判，共同分析了机组阻尼条熔断原因，并就解决问题的措施及此事件问题在制造厂家的设计、且在质保期内，机组改造处理由厂家全部负责等达成共识。现飞来峡机组的处理方案为改造磁极：槽配合t₂/t₁的取值由0.9改为0.85，阻尼条由Ф16改为Ф18mm，定子单边气隙从9增加到11mm，采用预制波浪式的阻尼条、并在阻尼条与孔之间垫NOMEX绝缘纸。

飞来峡2#机组的改造和试验已于03年1月底完成，磁极改造后机组试验结果令人满意、各部温度明显改善，至此运行情况良好，1、3#机的改造正在进行，所有机组的改造工作将于年底前完成。

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1 白延年× 水轮发电机设计与计算× 机械出版社× 1982年×

2     汤蕴× 电机内的电磁场× 出版社× 1981年

3     Sun Yutian, et al. The calculation of EMF waveform of synchronous machines by time dependent field simulation. Electromagnetic field problems and applications (ICEF’96. page15-18). International Academic Publisher. 1996.