刘文伟
山西京玉发电有限责任公司 山西省朔州市 邮编037200
【摘要】本文研究的发电机铁心故障，在国内300MW、600MW大型汽轮发电机中均有发生，针对发电机铁心松动、铁心与鸠尾放电现象及铁心局部熔融的故障进行了研究、分析，并提出有针对性的预防措施，为今后设计制造、运行检修提供参考。
【主题词】大型汽轮发电机；铁心松动；铁心与鸠尾放电；铁心局部熔融；原因分析；预防措施
1 引言：
发电机定子铁心是定子的主要磁通路，由铁心扇形冲片、通风槽、支撑筋（定位筋）、穿心螺杆、齿压板、压圈、铜屏蔽等部件组成。铁心的作用是作为发电机磁路的一部分及放置定子绕组，通过铁心槽固定支撑定子绕组，同时通过铁心通风槽形成发电机氢（风）冷却回路。
常见的定子铁心故障有端部铁心松动、端部铁心断齿、端部铁心通风槽钢断裂、铁心运行时噪声大、穿心螺杆松动、铁心定位筋松动及铁心硅钢片短路熔化、鸠尾筋鸠尾处电弧烧伤两大类，前者缺陷比较常见，各厂处理经验比也较成熟，且大多缺陷能够在现场处理，影响较小，后者一旦发生故障必须返厂处理，同时伴随定子绕组接地或短路故障，维修、运输成本高，停机时间长、损失大。因此对于大型汽轮发电机铁心的质量要求高。
2 定子铁心结构
铁心由特殊的晶粒取向扇形冲片叠压构成。这些叠片的特点在于其低损耗和高导磁性以及其特殊的绝缘层。每片扇形片用一层薄的含硅漆来作进一步的绝缘。铁心叠片由几十至上百挡叠片段组成，每个叠片段约50mm厚，每个叠片段内相邻叠片层的拼缝错开。叠片段间分隔处为径向通风槽，氢气通过通风槽来冷却铁心。
这些叠片外边设有鸠尾槽，使铁心固定到支持筋上，并沿着机座的内孔均匀分布。端部通过齿压板和压圈将需要的紧量传给冲片，在油压设备上收紧后用定位筋螺母保持紧力。
3 故障案例：
1）2006年7月，广东某电厂2号发电机（600MW级）大修中检查发现，在励侧铁心边端（阶梯齿）靠近压指处的铁心硅钢片齿部发生严重的片间松动磨损现象，磨损的大部分硅钢片已磨成粉末状。
该发电机之前发现铁心端部有松动现象，厂家对其发电机定位筋螺杆追加过紧力。
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检查发现励侧铁心边端（阶梯齿）靠近压指处的铁心硅钢片齿部第一段风道隔筋（小工字钢，每两槽间有4根）共8根缺失。
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图3风道隔筋缺失
此故障因检查及时，所幸没有造成线棒绝缘磨损击穿。
最终更换了发电机定子。
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图4铁心端部结构
2）2020年10月，山西某电厂1号发电机（330MW级）发生定子接地停机故障。
发电机拆除所有线棒后检查发现，在铁心1、2号槽的槽底、槽侧部位熔化变形，相对应的铁心轭部（槽底）烧熔、熔化出空洞；1号、2号槽线棒对应铁心烧熔部位主绝缘已经严重过热碳化。
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铁心解体后，在汽端3~4档铁心对应1号、2号、36号槽轭部存在熔洞（70*160mm）。
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拆解铁心过程中发现第六档铁心片间齿部、槽底有不同程度熔融现象。
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图9硅钢片熔融
拆除铁心1~6档过程中发现，铁心鸠尾与18根支持筋均有不同程度放电过热灼伤，拆至第六档放电过热灼伤才逐步减轻、消失。
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图10铁心鸠尾与支持筋放电灼伤
最终返厂更换了部分烧损的铁心。
4 原因分析：
铁心松动方面：
定子铁心压紧采用双侧端部分块压板、磁屏蔽及压环、压指、穿心螺杆、定位筋螺杆配合压紧。如螺杆紧力不均，或铁心叠片、叠压时齿部和轭部调整塞片工艺粗糙，易造成励侧阶梯段第一档风道隔筋两侧铁心端面平整度不好。由此，在铁心定位筋螺杆和穿心螺杆紧固后，会造成沿整个内圆齿部压力不均匀，形成齿部有紧有松的状态。紧力小的部位风道隔筋压紧不够，甚至在齿部张口，使风道隔筋在长期振动下松动、疲劳断裂直至脱落。广东某电厂故障案例，间接说明了这一点。
发电机定位筋螺杆追加紧力时，于未考虑穿心螺杆和定位筋螺杆紧力配合要求，当进行定位筋螺杆追加紧力时，可能使原紧力配合要求受到破坏，使定位筋螺杆紧力超过穿心螺杆紧力。这将加剧铁心两端阶梯段铁心一些齿部的张口，轭部过紧还会造成齿部弹开，使齿部风道隔筋失去夹紧力，经长期运行振动，疲劳断裂。
铁心烧熔方面：
硅钢片在制造、安装过程中由于工艺问题，如叠片夹杂异物、边缘有毛刺、漆膜质量不佳、不规范的叠片等，在运行中片间绝缘损坏引起硅钢片片间短路，短路电流在硅钢片间产生热点，而热点又会导致铁心故障的进一步恶化，铁心片间短路恶化。
定子铁心还存在着另一种缺陷，即铁心内部存在放电现象。定子铁心内部的这种放电现象，容易对铁心硅钢片的片间绝缘造成损伤，且该放电缺陷持续发展可能使铁心硅钢片间形成多个短路点，对定子铁心造成巨大的破坏，严重威胁着发电机的安全运行。由于这种放电现象极少出现在铁心齿部表面，而主要发生在定子汽、励两端铁心鸠尾与定位筋的结合处，极少部分出现在铁心的内部，平时难以被发现。
定位筋附加电势来源：尽管发电机主磁通不流过定位筋，但它仍然会因为漏磁通等原因产生附加电势。其中主磁通从转子经过气隙流入定子，在定子线圈中感应电势发电。此外还有许多漏磁通，其中定、转子端部的漏磁通，以及定子铁心背部的径向漏磁通是我们在本问题分析中所关心的。
在铁心轭部流通的主磁通，由于铁心的饱和，会流出铁心背部，产生径向漏磁通。这一漏磁通切割定位筋就会在定位筋中感应电势。
由铁心背部径向漏磁通产生的定位筋电势与铁心饱和度（铁心轭磁密）有关。当铁心过度饱和时，定位筋电势上升较快。这就是我们所说的“过电压”造成的“过磁通”产生的定位筋附加电势。
除了从铁心背部流出的径向漏磁通外，还有一个形成定位筋附加电势的重要原因，它就是定子端部轴向漏磁通。发电机定、转子端部都会产生漏磁通。特别是在发电机进相运行的工况下，定、转子端部漏磁场会叠加增强。
这一轴向漏磁通进入边段铁心，一方面会增加边段铁心的饱和，再增加边段铁心背部的径向漏磁通，升高定位筋附加电势。另一方面会在边段铁心中产生涡流，由于铁心由多个扇形片组成，这些涡流又会以定位筋作为通路，再增强定位筋附加电势。
由于上述原因，定位筋附加电势会越靠近端头越高，在一般的情况下，上述定位筋附加电势造成的损伤不会危及到发电机的主体铁心部分、定子线棒部分，发电机常常可以在较长时间内继续安全运行，但当发电机本身铁心冲片存在片间绝缘薄弱或损伤，加之发电机进相运行端部铁心受到漏磁通的抑制作用，端部铁心温度升高，在很强的端部磁场下，边端铁心段中产生的片间电压比中部铁心部可能高出数百倍，它通过产生高的冲片片间电压，损伤冲片绝绝缘，造成铁心烧伤，进而损伤线棒造成重大事故。
5 预防措施
防止发电机铁心松动的措施：
（1）在设备监造阶段，应加强设备监造，补充监造项目，例如铁心压紧力、铁心压装平整度、铁心外观、定位及穿心螺杆紧力配合、螺母的锁紧等。从多家发电公司铁心松动故障情况看，基本都是由制造原因引起，所以加强质量控制，保证设备不带隐患出厂是最重要的基础保证。
（2）应采取运行控制措施，避免向发电机内部漏油。漏油可能使定子铁心松动加剧。同时应提高检修质量，采取技术和管理措施，杜绝发生发电机内部漏油事件。
（3）要重视投产一年后的首次发电机大修的检查和试验，对发电机定子铁心汽励端定位螺杆、穿心螺杆进行预紧力下降情况检查，根据情况安排铁心收紧工作。建议定期进行铁损试验（包括ELCID）并与以往试验比较，同时对铁心进行全面检查，尤其是定位筋螺杆螺母的检查，加强防松措施，根据检查情况，制定定期检查计划。
防止发电机铁心烧熔的预防措施：
（1）在每根定位筋上与定子铁心鸠尾相对应的部位加装绝缘。
即在所有定位筋的两端与定子铁心鸠尾相接触部位加装绝缘，这样可以使汽、励两端的定子铁心与定位筋之间完全绝缘，从而杜绝铁心鸠尾与定位筋之间受振动或安装间隙影响而产生时断时连的不稳定接触现象，从而消除铁心内部相邻两叠片之间的电位差及放电现象。然而这种做法需要制造厂修改设计方案，且运行机组无法进行加装。
（2）将1~6档定子铁心的鸠尾与定位筋焊接起来。
这种方法可使定子铁心的鸠尾与定位筋二者之间保持牢固稳定的连接，也可以杜绝铁心鸠尾与定位筋之间受振动影响而产生的间断性不稳定接触现象，铁心一直保持着“地”电位，从而消除其内部相邻部件之间的电位差及放电现象。不过，这一措施的可操作性尚待商榷，而且将铁心鸠尾与定位筋焊接后，可能对今后的铁心解体处理带来较大的困难。
（3）将汽、励两端定位筋用导电率高的铜排连接,形成定位筋电流通路使定位筋电流不以铁心为回路。
这种方法操作性更强，对原设计不产生任何影响。
6 结论
目前已有个别发电机进行了定位筋加装绝缘及高电导率铜排分流的措施。查阅文献，高电导率铜排分流和定位筋加装绝缘联合使用效果最好，而且降低了有关部件的电流损耗， 应予推荐。
由于目前检测定子铁心故障的试验手段主要有常规铁损试验及EL－CID铁心故障探测两种方法，两种方法判断铁心齿部及槽壁、槽底的故障较为准确，对于铁心轭部及以下的早期故障不容易发现，这也是我们今后应该研究的重点。
[参 考 文 献]
[1] 张征平、涂小涛、胡卫、冉旺、徐展锋、陶柳凤、林德泉．大型发电机定子铁心内部放电原因分析及预防 大电机技术
[2]沈樑伟、叶国华．大型汽轮发电机定子铁心熔化故障分析 大电机技术
[3]张 辉．上汽产QFSN-600-2型发电机定子铁心故障的分析、处理及预防措施探讨