0 引言

水轮发电机定子部分主要由定子铁心和定子线棒组成，定子是发电机核心部件，如果发生定子铁心溢出问题，容易破坏线棒主绝缘，引起线棒绝缘击穿甚至铁心烧损，给机组的安全稳定运行带来隐患^[1-4]。本文以万家寨水电站机组为例，对定子铁心溢出现象及原因进行分析，并提出发电机改造措施，改造方法和工艺可为其他机组类似情况的处理提供参考。

1 机组概况

万家寨水电站位于黄河北干流托克托至龙口峡谷河段内，坝址左岸为山西省偏关县，右岸为内蒙古自治区准格尔旗。枢纽电站的主要任务是供水结合发电调峰，兼有防洪、防凌作用。水电站共安装6台水轮发电机组，其中3台机组并入蒙西电网，3台机组并入山西电网，承担两网调峰调频任务。1号—4号水轮机型号为HLFN235-LJ-610，5号、6号水轮机型号为HLS217-LJ-585。发电机均为哈尔滨电机厂生产的SF180-60/12800型半伞式凸极同步发电机，冷却方式为密闭自循环空气冷却。1998年11月第1台机组并网发电，2000年12月6台机组全部并网发电。发电机主要技术参数见表 1所示。

发电机定子绕组采用双层条形波绕组，定子槽数540，极数2P=60，每极每相槽数为3，支路数为3Y，绕组节距1-9-19，定子绕组为F级桐马环氧粉云母多胶带主绝缘，定子线棒端头采用连接板银焊结构。定子绕组分9个分支，共1080根线棒。发电机定子铁心技术参数见表 2所示。

2 铁心溢出原因分析及处理 2.1 原因分析

2010年在4号机组大修期间，首次发现发电机存在定子铁心溢出问题。对其他机组进行检查，发现6台机组均存在不同程度的定子铁心溢出情况，分析其原因可能有以下几个方面。

（1）定子铁心定位筋弦距超出DL/T 5420— 2009《水轮发电机定子现场装配工艺导则》要求的误差范围^[5]，且未有效压紧，造成波浪度超标。

（2）定子铁心采用背部螺杆压紧方式。此方式受力点集中于铁心外侧，导致定子冲片间压紧时内、外侧受力不均匀，不能全部牢固地压紧，造成铁心松动。

（3）由于水轮机转速低、定子直径大的结构特点，机组运行时铁心与机座间存在较大的热应力，加剧了铁心松动后产生的波浪度增大、铁心翘曲等问题。

（4）定子冲片间设计压力偏小，导致铁心松动。

对发电机定子铁心溢出情况及测量数据进行分析，确定万家寨水电站发电机组定子铁心溢出的主要原因是装配质量差、压紧方式不合理、压紧度偏小、波浪度偏大等。发电机结构特点及运行工况也加剧了铁心松动、铁心溢出及翘曲等问题。

2.2 处理措施

大修期间针对铁心溢出问题制订处理方案，具体为：拆除线棒—修复线棒—修锉铁心—重新压紧—加装限位垫片—线棒回装。各机组处理情况如下。

2.2.1 4号发电机

大修期间，拆除4号机组定子线棒后进行检查，发现铁心安装质量差，铁心波浪度超标，上下端铁心有溢出现象（见图 1所示）。对铁心的波浪度、压紧度等参数进行测量，发现定子铁心存在严重齿胀及翘曲现象（如图 2所示）。

2010年9月，在采取处理措施3个月后，再次测量4号机组定子铁心溢出量，共测量96个点，测量结果为：溢出率100%，最大溢出量6.86 mm；2011年11月，结合检修结果对4号机组再次进行铁心溢出量测量，共测量96个点，溢出率100%，最大溢出量8.69 mm。根据测量数据判断铁心溢出问题未得到根本解决，4号机组仍然存在严重的定子铁心溢出问题。

2.2.2 5号发电机

2010年11月对5号机组定子铁心溢出量进行测量，共测量96个点，溢出率75%，最大溢出量10.10 mm。在2011年9月大修期间，参照4号机组处理方案对5号机组定子铁心溢出问题进行处理。实施处理方案2个月后测量铁心最大溢出量为11.46 mm。据此可以判断5号机组仍存在严重的定子铁心溢出问题。

2.2.3 3号发电机

2010年12月对3号机组进行铁心溢出量测量，共测量96个点，溢出率9.37%，最大溢出量1.38 mm。2013年2月，对3号机组发电机540槽铁心进行全面检查测量，发现上端部铁心溢出槽数为198槽，下端部为225槽；上端部铁心溢出量最大值为3.5 mm，下端部为4.2 mm。对线棒绝缘损伤情况进行检查，发现绝缘损伤在1.5~2 mm的共计15根，大于2 mm的共计7根。据此可以判断，3号机组存在严重定子铁心溢出问题。大修期间参照4号机组处理方案对定子铁心溢出进行了处理。

2.2.4 1号发电机

2014年4月，在1号发电机修前耐压试验过程中，定子A2分支线棒绝缘击穿。经检查，发现定子19槽下层线棒绝缘击穿（见图 3所示），分析其原因为铁心溢出损伤线棒绝缘。对定子铁心溢出情况进行检查，发现定子铁心上端部有26槽溢出，最大溢出量为9 mm。拔出19槽下层线棒后，发现其上部槽口处主绝缘有4 mm深的割伤。参照4号机组处理方案对定子铁心溢出进行了处理。

由测量数据可见，万家寨水电站发电机定子铁心溢出问题十分严重，其中4号和5号机组整圈铁心几乎全部溢出。检查还发现定子铁心翘曲变形严重、波浪度严重超标、存在严重的齿胀等问题。

3 处理方案存在的问题

万家寨水电站定子铁心溢出问题处理方案主要是针对定子铁心溢出部位进行拆除打磨、绝缘修复、重新压紧、加装限位挡片等。根据处理后测量数据可以看出，该方案并未根本解决定子铁心溢出问题，机组运行依然存在安全隐患。

（1）未改变铁心压紧结构，无法解决铁心整体受力不均匀问题。在铁心端部加装限位挡片，使发电机存在因铁心振动造成片间短路及铁心烧损的隐患，也无法解决定子铁心径向及圆周方向的变形问题，依然存在铁心突出破坏线棒绝缘的隐患。

（2）定子铁心存在严重齿胀。齿胀是引起发电机定子铁心溢出的主要原因，齿胀不消除，铁心溢出将进一步发展^[6-7]。处理方案未拆除铁心，无法根本解决齿胀问题。

（3）由于定子铁心变形较大且局部翘曲变形严重，定位筋弦距误差无法调整，因此波浪度仍偏大。而铁心翘曲变形及波浪度超标将直接导致线棒槽型不达标，对线棒槽内适形、槽电位均有不利影响^[8-10]。

（4）本次处理方案是通过修复已损伤线棒绝缘，延缓发生绝缘击穿事故的时间，无法根本解决问题，且发电机定子线棒修复影响因素多，无法保证修复后能达到原设计要求，反复拆装对线棒绝缘造成损伤的可能性很大。

（5）仅通过跟踪检测铁心溢出量的方式监视定子铁心溢出及变化趋势，不能全面动态反映定子铁心整体溢出发展变化情况，运行风险处于不可控的状态。

（6）铁心振动、损耗加大、端部片间短路等因素会导致发电机铁心局部过热。由于发电机铁心测点是选点埋设的，可能无法监测到局部过热现象，而且铁心温度不在机组电气保护范围内。局部过热发展到一定程度，将烧损铁心表面绝缘漆，导致铁心局部短路，随着铁心短路片数增加，集肤发热效应强烈，极易导致铁心熔化^[11-14]。

4 发电机改造

万家寨水电站定子铁心溢出问题非常严重且不可逆，上述处理方案无法根本抑制铁心溢出继续发展。如果发电机定子铁心溢出问题不彻底消除，随着运行时间的延长，发生线棒绝缘击穿或铁心短路烧损事故的概率将增大，而且随着铁心溢出继续发展，修复处理工作更复杂，处理费用将成倍增加，还有可能造成机组被迫停运。为此万家寨水电站决定对发电机实施改造，以彻底解决铁心溢出问题。改造具体实施如下。

4.1 定子机座

定子机座内侧承载定子铁心和定子绕组，并承受上机架及其构件的重力和电磁不平衡力，兼有防止铁心翘曲和适应铁心热膨胀的作用。定子机座采用大齿压板结构（下环），机座顶环厚40 mm，上环厚40 mm，中环厚30 mm，下环厚70 mm。机座各层环板通过盒型筋、贯通钢管及立筋连接组合，机座共分6瓣，在厂内进行组焊。因本次改造铁心外径放大，为保证机座具有足够的刚度，将机座外径放大50 mm，由原来的1460 cm改为1465 cm，定子机座基础板仍使用原机座基础板，通过焊接固定机座与基础板。

4.2 定位筋

定子铁心的定位筋由传统的单鸽尾焊接结构改为双鸽尾可移动式结构，该结构可有效防止铁心冲片溢出。为防止焊接变形影响定位筋内径和弦距，采用CO₂气体保护焊进行焊接，确保定位筋满焊后误差在标准范围内。

4.3 定子铁心

定子铁心冲片采用冷轧无取向、高导磁、低损耗的优质硅钢片。铁心冲片表面涂有F级绝缘漆，以减少涡流损耗。在进行电磁设计时对发电机定子铁心外径尺寸进行了优化，由1280 cm调整为1290 cm，内径不变（1213 cm），长度为185 cm，共540槽。适当增加了定子铁心轭部尺寸，铁心上、下端采用无磁性高强度合金钢压指材料。发电机定子铁心采用穿心螺杆压紧结构（见图 4所示），为本次定子铁心重点改造部分。穿心螺杆与铁心间设有绝缘套管，能够有效防止定子铁心螺杆接地。铁心叠片过程分铁心分段预压、铁心最终压紧两部分进行，为防止出现端部冲片滑移影响槽型、压紧力不均匀及铁心局部产生波浪度等问题，预压及最终压紧均严格按照DL/T 5420—2009标准要求进行，确保安装质量符合要求。改造后的定子铁心结构如图 5所示。

4.4 定子绕组

定子绕组由条式波绕组线棒组成，3支路并联，Y形连接。线棒是由48股双聚酯纤维玻璃丝包铜扁线组成，采用315°不完全换位。定子绕组的线规、定子铁心槽型尺寸均有调整，使得调整后的定子绕组电流密度、热负荷略有下降，以改善定子绕组和铁心温升偏高情况。槽内定子线棒结构如图 6所示。

每个槽内布置2根线棒，分上下2层。安装时应确保槽内线棒与铁心应接触良好，使线棒固定在槽内，避免线棒在磁场中发生振动，同时防止线棒和铁心之间产生电势差，避免造成局部放电破坏线棒绝缘。为保证线棒与铁心接触良好，线棒外侧包绕半导体无纺布和硅橡胶的结构。单个线棒装配之后，线棒与线棒之间通过连接板或连接线连接，采用银铜钎焊工艺。线棒槽部固定采用成对斜槽楔和波纹板压紧结构，以确保线棒在槽内可靠固定，防止线棒在电磁力的作用下发生振动。槽楔为上下2层，中间为波纹板，在上层线棒和下层槽楔间设有垫条。波纹板可以保证机组在长期运行中线棒受到稳定压力，不产生振动。

4.5 发电机转子

发电机转子改造主要是转子磁轭重新叠片，磁轭结构不变。针对转子温升偏高问题，将磁轭通风沟由7个32 mm的通风沟改造为8个40 mm的高通风沟，磁轭总高度保持不变。

改造后，发电机的其他主要参数（如定子铁心内径、铁心长度、气隙长度、磁极等）均与原机组保持一致。

5 改造效果

万家寨水电站4号机组发电机改造于2015年4月开始，2018年12月6台机组改造工作全部完成。改造后，利用检修机会测量6台机组定子铁心各项参数，未发现铁心松动或溢出问题，定子铁心溢出和转子温升偏高问题得到了根本解决，从而保证了机组的安全稳定运行。