水轮发电机磁极线圈匝间短路分析及处理

 1 概述
大唐石泉水力发电厂2#发电机是由东方电机厂制造的TS900/135—56型45MW三相56极同步发电机。机组投运至今已30多年。2011年11月20日零点2号发电机组开始常规大修，不吊转子。2011年12月14日在测量2号发电机的工频交流阻抗时发现：25#磁极线圈的交流阻抗值较其他大多数正常磁极线圈的平均交流阻抗值减小65%以上，相邻磁极的交流阻抗值也下降20%左右，初步判断25#磁极线圈有匝间短路的可能。
2#发电机转子交流阻抗数值12月14日与2003年3月4日大修测试数据比较见表1，其转子交流阻抗分布曲线如图1所示。
试验电流均为2A，均在阻抗内进行测量。
转子直流电阻2003年大修测量值为：0.16668Ω；
转子直流电阻2011年大修测量值为：0.17Ω。
对25#磁极每匝电压分布测量数值见表2（试验电流2A）；其匝间电压分布曲线如图2所示。
对25#磁极两端施加10A电流，每匝电压分布测量数值见表3。
27#磁极每匝电压分布测量值见表4（试验电流2A）。
转子绕组对地绝缘电阻测量值为200MΩ。25#、27#磁极的匝间电压分布图如图3所示。
测量电压仪器采用Protek506型万用表。
图4为13#、24#、25#、26#、27#、39#、47#、54#磁极的匝间电压分布对比。
上述测量数据分析表明，25#磁极与其他正常磁极的匝间电压分布存在较大差别。从图4中可看出，10匝以后出现了明显的差异。
随后对转子所有磁极线圈进行了整体清扫，又单独对24#、25#、26#磁极线圈整体用面团粘、90#汽油清洗，清扫后试验效果不明显。
25#磁极21匝线圈电压分布如图5所示。
从图5中可以看出，第18匝与19匝间电压有显著降低。故确定短路匝在本次大修中，应在18匝与19匝间内部。同时，为了能从根本上消除此缺陷，决定对2#发电机25#磁极线圈进行更换。
2 发电机简介
2.1 主要技术数据 发电机主要技术数据见表5。
2.2 磁极线圈绝缘结构详见图6。
①线圈匝间采用0.1mm无碱玻璃纤维布，用热压方法粘合在一起。
②线圈对地绝缘用5mm环氧酚醛玻璃布板配合酚醛纸板绝缘，搭接处粘牢。
③线圈首末两层均垫绝缘托板。
3 磁极线圈更换及其软接头焊接工艺
由于2#发电机25#磁极位于-Y方向的机架腿下，更换磁极线圈需转动转子使25#磁极错开机架腿位置，并拆除相应位置的上机架盖板、上下挡风板及挡风圈、上下风扇及阻尼环。
3.1 拔磁极前准备 准备的材料有煤气、煤气喷头、氧气、乙炔、接头整形专用工具、手套、石棉粉、石棉布、石棉板、白布、沙纸、丙酮、环氧树脂、焊锡、松香、无碱玻璃纤维带、长螺丝刀、自制榔头、2.5磅榔头、150mm×50mm×50mm沿对角线锯开的木楔、150mm×40mm×30mm孔距115mm夹板等。
3.2 磁极吊出前的拆卸及线圈封堵
①拆卸相应位置的上、下风扇，阻尼环的软连接头。剥开原接头绝缘层，拆开接头，做好记号。
②严密封堵线圈防止焊锡掉进：用环氧玻璃布板、毛毡浸环氧树脂、石棉粉等材料封住接头根部小缝，防止熔锡进入线圈造成接地或绝缘下降。线圈封堵必须严密，所用石棉粉不宜太稀，防止线圈受潮。
③做好记号。用煤气火焰烫开磁极软接头，注意火焰和接头的距离要适当。
④把要吊出的磁极附近的定子线棒用石棉布、毛毡等盖好。
⑤吊前将磁极线圈上下端部包上毛毡，起吊过程中严防碰撞定子。吊出后应将磁极平放在枕木上。
3.3 拆线圈 用拆绕组的专用工具卡住磁极线圈，铁心因自重与线圈脱开。
3.4 更换合格的磁极线圈 更换时应注意新、旧磁极线圈的左右绕向应一致。检查更换下来的25#旧磁极线圈，发现其18匝与19匝之间的匝间绝缘部分脱落，造成了18匝与19匝的匝间内部短路，从而引起25#磁极线圈交流阻抗值的异常变化。也证实了试验的及时性，数据测量的准确性与分析判断的正确性。
3.5 磁极线圈与铁心组装
①清扫磁极铁心和线圈，并用白布蘸上丙酮擦洗油垢。
②清扫完后再吊起磁极线圈，借绕组自重落下套入铁心。
③打上原有楔子，打入时应使两边间隙相等，最后用绝缘混合物将缝隙填充封闭。
④测量线圈对铁心高度应小于1mm。
⑤磁极检修前、后应进行交流耐电压试验。
3.6 磁极装复步骤
①用吊车吊起磁极，使用（0.2～0.3）MPa清洁干燥的压缩空气进行吹扫并全面检查。
②磁极落入转子T型槽时，防止磁极接头碰坏。
③磁极挂装时，在中心标高允许的条件下，应尽量照顾到相邻两磁极接头的高低差。
一般接头高、低错位不得大于接头宽度的10%，超差时应处理接头。
④磁极全部吊进后，用500V摇表测量绝缘电阻不应小于0.5MΩ。
⑤打紧磁极键。
3.7 装复磁极软接头
①磁极接头由多层0.5mm厚的软紫铜片组成。
②磁极挂装完毕后，用酒精擦洗各软紫铜片两搭接面。
③搪锡：每片两面用煤气火焰烧烤，再用白布擦拭，使焊锡均匀附着，形成一光面。
④按图样形式及尺寸进行接头整形、交叠成形，修剪多余部分，用夹板定型。用无碱玻璃纤维带紧紧缠绕接头的两边，并留出焊接位置，以接触电流密度计算接头应搭接面积，满足不大于0.25A/mm2的需求。
⑤磁极接头焊接可采用火焊法（分为煤气火焰焊和碳阻焊两种）。本次24#～25#、25#～26#磁极线圈接头的焊接采用煤气火焰焊接。
a）煤气火焰焊
1）接头整形完毕，用搪了锡的2.5mm2单股铜线缠绕接头。根据接头搭接长度缠绕30圈以上，所缠铜线每圈都要缠紧且排列整齐，单股铜线接头应打在磁极接头侧面，如图7所示。单股铜线缠绕接头完毕后应严密封堵接头根部处缝隙，采用石棉泥、石棉布等做线圈防护，用石棉板做漏槽。
转子磁极接头用液化气火焰焊接的注意事项：①首先把石棉布剪成磁极宽×磁极高的石棉布，再用石棉板裁成磁极宽×略比磁极高的石棉板，然后用石棉粉和石棉绒调水（干稀合适）严密封堵各缝隙，切记不能漏掉细小缝隙，而且能使所熔化的焊锡向下流，不积存；②所连接头的接触部位都要搪锡，且搪锡面均匀、光滑；③磁极接头温度适中时迅速给锡、浸透；④将液化气喷头火焰调小，把粗焊条熔化，并迅速用此焊锡条抹平接头表面。
2）上述准备工作妥当后，在磁极接头上涂刷松香水，用煤气火焰焊接挂锡，用白布擦除接头表面多余焊料。
3）所有接头焊接后，应仔细检查各缝隙是否均已填满焊料，不满时需进行补焊。
b）碳阻焊
1）先在接头附近两个磁极表面铺上两层石棉布保护层，以防焊锡流入磁极绕组层间及缝隙中，造成磁极层间短路或接地。
2）在磁极接头上涂以松香水，并使松香水浸入接头内部。接头两侧面贴薄铜板作保护层，铜板外夹以碳阻电焊钳，通上直流电焊机的低压大电流（电流可从150A～500A逐步升高），使碳极发热加热接头。
3）磁极接头加热过程中，需适量地向接头上分撒松香粉，待接头加热到能够溶化锡铅焊料时，即可将锡铅焊料触于接头焊孔上，使焊料溶化流入接头各片间隙缝中，直到接头焊缝溶满，再降低直流电流并切断电源，让接头降温焊锡凝固。但在降温过程中，焊料不得离开接头焊孔，以便不断补充接头中流失之焊料，直至焊料不再流失和溶化时为止。
4）拆除碳阻焊钳，取下保护铜板，用白布擦净接头外表焊瘤，使其光洁美观。
3.8 试验 接头焊接完毕后对新25#磁极线圈进行试验，全部合格，具体数据如下：
①用回路电阻测试仪测量磁极接头直流电阻：24#～25#为9μΩ；25#～26#为9μΩ（国家标准规定20μΩ以下为合格）；
②绝缘电阻：2011年12月26日、t=8℃、R绝=200MΩ；
③25#磁极线圈匝间交流电压分布曲线与其他正常磁极线圈匝间交流电压分布曲线比较基本一致，为一正常平滑的曲线如图8所示。
④接头焊接一次合格，按原接头绝缘要求对接头进行包扎，即用0.1mm无碱玻璃纤维带半叠包3层，最外层涂环氧绝缘清漆。绝缘包扎合格后安装接头拉杆。
3.9 装复阻尼环软接头
①阻尼环接头安装，是在磁极安装合格后进行。
②检查接头螺丝锁片是否需要更换。
③按照编号回装接头，拧紧螺丝并用0.5mm塞尺检查，塞进深度不大于5mm为宜。
④对锁定垫片折角，折边应紧贴螺母侧面，使之锁定牢固。
3.10 转子清扫检查与新磁极线圈编号
①将转子内外灰尘、焊渣等清理干净。
②检查所有螺帽应紧固、锁片锁好。
③对新磁极线圈编号为25#。
4 结束语
TS900/135-56型机组是1973年的产品，磁极接头焊接首例采用煤气喷头火焰焊接，消除了施工中采用碳阻焊拉弧的危险性。同时，缩短了焊接时间，操作简单、可靠，磁极接头焊接一次合格。此种方法可推广应用到其他机组类似故障处理。