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摘 要：阐述了紧水滩机组定子铁芯底部硅钢片位移的特点和位移量，结合定子端部磁场和铁芯温度的分布规律，分析了硅钢片位移的起始原因，即硅钢片温度的不均匀分布乃至局部过热，而该型机组铁芯的结构使得硅钢片均匀压紧难度大，在机座振动和电磁力的作用下，硅钢片位移量不断加大，当松动的硅钢片固有频率与某段频率的电磁力存在共振关系时，就会引起磁固耦合双重共振，使得位移呈跳跃性扩大而危及定子线棒绝缘。另外，还介绍了故障的处理方法，提出了在设计、安装等方面防范此类故障的措施和建议。`
关键词：端部磁场;铁芯温度;硅钢片位移;磁固耦合;故障处理
0 引言
紧水滩水电站位于浙南瓯江干流龙泉溪段，共有6台50 MW的SF-K50-30/6400型混流式机组，分别于1987—1988年投运。自2005年起，先后有5台机组定子铁芯底部的硅钢片出现不同程度的位移问题，而随着多年来对问题机组定子铁芯及线棒的整体改造，目前硅钢片位移的问题已从根本上得到解决。本文试从定子端部磁场、定子温度的分布特征、铁芯结构和磁固耦合共振等方面分析其形成及扩大的原因，并介绍有效的故障处理方法，以供参考。
1 故障描述
该型机组的定子共324槽，双路径向封闭自循环通风方式。硅钢片外径6 400 mm，内径5 760 mm，高度1 500 mm，硅钢片整圆由27张扇形硅钢片叠装，有108根拉紧螺杆，54根定位筋。
有5台机组的定子铁芯都曾出现过不同程度的硅钢片位移问题，共同点是都在定子铁芯最底下的一层发生硅钢片内圆径向位移，不同的是位移的量为3～7 mm不等，位移的槽也不相同。
最严重的是6号和2号机组，曾发生过定子单相接地故障。其中6号机组检查后发现定子第31槽的下层线棒有一条长约10 mm、深约6 mm的割痕，棒与槽间的半导体漆布和垫条被割破，硅钢片的内圆径向位移约7 mm，其轭部有明显的过热和放电痕迹，而逆时针方向的相邻硅钢片亦有少量的径向位移。
2号机组的情况与6号机组大同小异，其他3台机组虽未发生定子接地故障，但都发现了不同程度的硅钢片位移现象。
图1和图2分别是硅钢片位移和变形的实图。
硅钢片产生位移与变形的现象，与其所处环境的电磁力、振动大小以及温度冷热不匀有关。
2 定子铁芯磁场分布及温度实测
根据文献[1]，水轮发电机定子端部的磁场分布规律为：磁密以边段铁芯处最大，压指次之，压圈最小，随着端面径向尺寸的增大，磁密逐渐减小。
定子铁芯各部位的温度高低主要取决于该部位漏磁场的大小，而漏磁场引起的磁滞损耗和涡流损耗与漏磁密的平方成正比。
根据定子端部的磁场分布规律及水电机组定子铁芯的结构特点分析，沿定子轴向长度温度最大的为定子硅钢片的端边段、定子齿压板和定子压圈三个部位;而沿定子边段硅钢片径向温度最大的为端部压指顶、边段硅钢片的齿部位置，即位于铁芯端部的硅钢片齿部位置温度最高。
而机组在运行时，位于铁芯底部的硅钢片，由于通风条件差、积垢多而散热性差，是定子铁芯温度最高的部位。
图3所示为DL700CE型红外测温仪检测到的定子铁芯温度分布图，其中位于槽底近转子侧的Area01区温度最高，达到92.9 ℃，和分析的结果相吻合。
区域Area02的最高温度为80.5 ℃、Area03的最高温度为88.2 ℃、Area04的最高温度为78.8 ℃，周围铁芯温度最低为51.6 ℃，最大温差值达41.3 ℃，该时间段的环境温度为25.9 ℃。
3 硅钢片初始位移的产生
硅钢片温度的不均匀分布乃至局部过热，会导致定子硅钢片位移与变形。
由文献[2]可知，水轮发电机的硅钢片内外温度差20 ℃时，此时硅钢片内圆径向位移变化在0.65～1.3 mm，硅钢片中间部位的位移较小，两端位移大。以环境温度20 ℃为基准，温度每升高5 ℃，硅钢片内圆径向位移变化0.44 mm。
依此计算，机组运行时，铁芯本体温差最大值达41.3 ℃，和环境温度的差值更是高达67 ℃，位于槽底的硅钢片内圆径向位移估算值有5.7 mm之多。
硅钢片过热后，片间的漆膜会由于温升而老化并逐渐收缩，在硅钢片间形成微小的不均匀间隙，运行多年的机组，则可能存在多个部位的定子铁芯硅钢片片间间隙。
在定子铁芯结构方面，该型机组用于压紧定子硅钢片的盒形压齿，仅有一半长度位于机座上，另一半为悬臂梁结构。螺栓压紧时，轭部受力较大，齿部受力较小。在齒端张力的作用下，靠近齿根的压力大，靠近齿端的压力小，因此硅钢片在安装时均匀压紧的难度较大。
综上所述，温度高、片间间隙大、压紧力不均匀的铁芯底部硅钢片，在电磁力、振动等外力的长期作用下，容易产生位移及位移累增。
硅钢片位移后，使得该部位铁芯的内圆径向伸出长度增加，漏磁增大，温升增大，继而硅钢片位移加速。
4 磁固耦合共振与硅钢片位移扩大
某个部位的硅钢片位移，使得该部位的定、转子间气隙发生变化，气隙的变化使得发电机偏心磁拉力显著加大，硅钢片受力后振动加剧，严重时将导致硅钢片位移松动及变形。
松动的硅钢片，其固有振动频率在一定范围内变化，出现接近于激励频率的低阶固有频率。低阶的固有振动频率与发电机气隙磁场频率相耦合时，会使得电磁力的频谱成分变得很丰富。
若某段电磁力频谱与硅钢片低阶固有振动频率存在共振关系时，将激发危险的磁固耦合双重共振及次生的亚谐共振或超谐共振，共振的最大幅值比工程实际允许的最大幅值要大几十倍到上百倍[3]。
磁固耦合双重共振使得松动的硅钢片成为一个非线性振动系统，位移速度呈跳跃性增大，导致定子绕组绝缘被磨损、电化腐蚀现象加剧，若不及时发现，即会造成定子单相接地故障。 5 故障处理
铁芯硅钢片位移缺陷发生后，对全部机组的定子铁芯用工业内窥镜进行跟踪检查，其间曾发现1号机组铁芯底部有硅钢片最大位移3.68 mm，2号机组铁芯底部有硅钢片最大位移3.55 mm。
缺陷发现后，第一时间采取了对应措施，根据多台次的故障处理经验，将故障处理方法总结如下：
（1）修整硅钢片位移的内圆径向突出部分，使其端面与其他硅钢片端面保持平整;
（2）在故障硅钢片及其逆时针方向，相邻硅钢片下方的盒形压齿上，焊接非磁性不锈钢径向阻止装置;
（3）将定子铁芯的压紧螺栓重新紧固，防止定子铁芯松动。
硅钢片内圆径向突出部分被修齐整后，既能防止割坏线棒绝缘，又使得该部位的定、转子间气隙回归正常，消除了磁固耦合共振的因子。
故障处理后，定子铁芯安全运行直至定子整体改造完成，均未发生异常。
6 结论与建议
定子底部硅钢片的松动位移一旦发生，要从根本上处理存在较大的难度，而且处理周期很长，因此建议从设计、安装、检修等多方面采取措施，以防止此类故障的发生，比如：
（1）保持各盒形压齿的安装高度一致，并定期检测铁芯压紧螺栓的力矩值，确保螺栓力矩保持恒定，提高定子铁芯的整体刚度，保证长期运行后不易松动;
（2）硅钢片安装时采用分段热压工艺，使片间绝缘在热压条件下软化，匀质重填，确保漆膜在长期运行后不会收缩过大;
（3）改善定子鐵芯底部的通风条件，及时清污，确保散热良好;
（4）对投运时间较长的机组，定期用工业内窥镜检查定子底部铁芯，以便尽早发现问题，保证机组安全运行。
[参考文献]
[1] 付海涛，杨长安，张炳军，等.大型水轮发电机进相运行时端部磁场分析[J].上海大中型电机，2004（2）：25-28.
[2] 罗功富.水轮发电机定子、转子热态气隙变化研究[J].东方电机，2007（2）：27-29.
[3] 李文兰，邱家俊，杨志安.水轮发电机定子系统磁固耦合双重共振[J].应用数学和力学，2000，21（10）：1069-1076.
收稿日期：2021-04-20
作者简介：傅军（1971—），男，浙江淳安人，工程师，主要从事水电厂安全质量监督管理工作。
关键词：端部磁场;铁芯温度;硅钢片位移;磁固耦合;故障处理
0 引言
紧水滩水电站位于浙南瓯江干流龙泉溪段，共有6台50 MW的SF-K50-30/6400型混流式机组，分别于1987—1988年投运。自2005年起，先后有5台机组定子铁芯底部的硅钢片出现不同程度的位移问题，而随着多年来对问题机组定子铁芯及线棒的整体改造，目前硅钢片位移的问题已从根本上得到解决。本文试从定子端部磁场、定子温度的分布特征、铁芯结构和磁固耦合共振等方面分析其形成及扩大的原因，并介绍有效的故障处理方法，以供参考。
1 故障描述
该型机组的定子共324槽，双路径向封闭自循环通风方式。硅钢片外径6 400 mm，内径5 760 mm，高度1 500 mm，硅钢片整圆由27张扇形硅钢片叠装，有108根拉紧螺杆，54根定位筋。
有5台机组的定子铁芯都曾出现过不同程度的硅钢片位移问题，共同点是都在定子铁芯最底下的一层发生硅钢片内圆径向位移，不同的是位移的量为3～7 mm不等，位移的槽也不相同。
最严重的是6号和2号机组，曾发生过定子单相接地故障。其中6号机组检查后发现定子第31槽的下层线棒有一条长约10 mm、深约6 mm的割痕，棒与槽间的半导体漆布和垫条被割破，硅钢片的内圆径向位移约7 mm，其轭部有明显的过热和放电痕迹，而逆时针方向的相邻硅钢片亦有少量的径向位移。
2号机组的情况与6号机组大同小异，其他3台机组虽未发生定子接地故障，但都发现了不同程度的硅钢片位移现象。
图1和图2分别是硅钢片位移和变形的实图。
硅钢片产生位移与变形的现象，与其所处环境的电磁力、振动大小以及温度冷热不匀有关。
2 定子铁芯磁场分布及温度实测
根据文献[1]，水轮发电机定子端部的磁场分布规律为：磁密以边段铁芯处最大，压指次之，压圈最小，随着端面径向尺寸的增大，磁密逐渐减小。
定子铁芯各部位的温度高低主要取决于该部位漏磁场的大小，而漏磁场引起的磁滞损耗和涡流损耗与漏磁密的平方成正比。
根据定子端部的磁场分布规律及水电机组定子铁芯的结构特点分析，沿定子轴向长度温度最大的为定子硅钢片的端边段、定子齿压板和定子压圈三个部位;而沿定子边段硅钢片径向温度最大的为端部压指顶、边段硅钢片的齿部位置，即位于铁芯端部的硅钢片齿部位置温度最高。
而机组在运行时，位于铁芯底部的硅钢片，由于通风条件差、积垢多而散热性差，是定子铁芯温度最高的部位。
图3所示为DL700CE型红外测温仪检测到的定子铁芯温度分布图，其中位于槽底近转子侧的Area01区温度最高，达到92.9 ℃，和分析的结果相吻合。
区域Area02的最高温度为80.5 ℃、Area03的最高温度为88.2 ℃、Area04的最高温度为78.8 ℃，周围铁芯温度最低为51.6 ℃，最大温差值达41.3 ℃，该时间段的环境温度为25.9 ℃。
3 硅钢片初始位移的产生
硅钢片温度的不均匀分布乃至局部过热，会导致定子硅钢片位移与变形。
由文献[2]可知，水轮发电机的硅钢片内外温度差20 ℃时，此时硅钢片内圆径向位移变化在0.65～1.3 mm，硅钢片中间部位的位移较小，两端位移大。以环境温度20 ℃为基准，温度每升高5 ℃，硅钢片内圆径向位移变化0.44 mm。
依此计算，机组运行时，铁芯本体温差最大值达41.3 ℃，和环境温度的差值更是高达67 ℃，位于槽底的硅钢片内圆径向位移估算值有5.7 mm之多。
硅钢片过热后，片间的漆膜会由于温升而老化并逐渐收缩，在硅钢片间形成微小的不均匀间隙，运行多年的机组，则可能存在多个部位的定子铁芯硅钢片片间间隙。
在定子铁芯结构方面，该型机组用于压紧定子硅钢片的盒形压齿，仅有一半长度位于机座上，另一半为悬臂梁结构。螺栓压紧时，轭部受力较大，齿部受力较小。在齒端张力的作用下，靠近齿根的压力大，靠近齿端的压力小，因此硅钢片在安装时均匀压紧的难度较大。
综上所述，温度高、片间间隙大、压紧力不均匀的铁芯底部硅钢片，在电磁力、振动等外力的长期作用下，容易产生位移及位移累增。
硅钢片位移后，使得该部位铁芯的内圆径向伸出长度增加，漏磁增大，温升增大，继而硅钢片位移加速。
4 磁固耦合共振与硅钢片位移扩大
某个部位的硅钢片位移，使得该部位的定、转子间气隙发生变化，气隙的变化使得发电机偏心磁拉力显著加大，硅钢片受力后振动加剧，严重时将导致硅钢片位移松动及变形。
松动的硅钢片，其固有振动频率在一定范围内变化，出现接近于激励频率的低阶固有频率。低阶的固有振动频率与发电机气隙磁场频率相耦合时，会使得电磁力的频谱成分变得很丰富。
若某段电磁力频谱与硅钢片低阶固有振动频率存在共振关系时，将激发危险的磁固耦合双重共振及次生的亚谐共振或超谐共振，共振的最大幅值比工程实际允许的最大幅值要大几十倍到上百倍[3]。
磁固耦合双重共振使得松动的硅钢片成为一个非线性振动系统，位移速度呈跳跃性增大，导致定子绕组绝缘被磨损、电化腐蚀现象加剧，若不及时发现，即会造成定子单相接地故障。 5 故障处理
铁芯硅钢片位移缺陷发生后，对全部机组的定子铁芯用工业内窥镜进行跟踪检查，其间曾发现1号机组铁芯底部有硅钢片最大位移3.68 mm，2号机组铁芯底部有硅钢片最大位移3.55 mm。
缺陷发现后，第一时间采取了对应措施，根据多台次的故障处理经验，将故障处理方法总结如下：
（1）修整硅钢片位移的内圆径向突出部分，使其端面与其他硅钢片端面保持平整;
（2）在故障硅钢片及其逆时针方向，相邻硅钢片下方的盒形压齿上，焊接非磁性不锈钢径向阻止装置;
（3）将定子铁芯的压紧螺栓重新紧固，防止定子铁芯松动。
硅钢片内圆径向突出部分被修齐整后，既能防止割坏线棒绝缘，又使得该部位的定、转子间气隙回归正常，消除了磁固耦合共振的因子。
故障处理后，定子铁芯安全运行直至定子整体改造完成，均未发生异常。
6 结论与建议
定子底部硅钢片的松动位移一旦发生，要从根本上处理存在较大的难度，而且处理周期很长，因此建议从设计、安装、检修等多方面采取措施，以防止此类故障的发生，比如：
（1）保持各盒形压齿的安装高度一致，并定期检测铁芯压紧螺栓的力矩值，确保螺栓力矩保持恒定，提高定子铁芯的整体刚度，保证长期运行后不易松动;
（2）硅钢片安装时采用分段热压工艺，使片间绝缘在热压条件下软化，匀质重填，确保漆膜在长期运行后不会收缩过大;
（3）改善定子鐵芯底部的通风条件，及时清污，确保散热良好;
（4）对投运时间较长的机组，定期用工业内窥镜检查定子底部铁芯，以便尽早发现问题，保证机组安全运行。
[参考文献]
[1] 付海涛，杨长安，张炳军，等.大型水轮发电机进相运行时端部磁场分析[J].上海大中型电机，2004（2）：25-28.
[2] 罗功富.水轮发电机定子、转子热态气隙变化研究[J].东方电机，2007（2）：27-29.
[3] 李文兰，邱家俊，杨志安.水轮发电机定子系统磁固耦合双重共振[J].应用数学和力学，2000，21（10）：1069-1076.
收稿日期：2021-04-20
作者简介：傅军（1971—），男，浙江淳安人，工程师，主要从事水电厂安全质量监督管理工作。