贯流式水轮发电机穿心螺杆特殊故障诊断

某贯流式水轮发电机穿心螺杆特殊故障诊断李建富，周光厚，肖翦，刘传坤（东方电气集团东方电机有限公司，四川德阳，618000）[摘要] 某贯流式水轮发电机在运行数年后，检修时发现多根穿心螺杆发生熔断、疲劳断裂、绝缘损伤等现象，部分与螺杆接触的铁心烧熔。

对故障表现进行了分析，并针对性地进行了模拟仿真计算，分析了穿心螺杆发生两点短路后的产生的附加损耗以及螺杆所承受的电磁力。

综合计算表明，长期运行过程中，在多方面综合原因作用下，该机组穿心螺杆出现了固有频率逐渐靠近100Hz的特殊情况，在电磁力的作用下发生较强振动，长期运行后疲劳变形，与铁心导通，同定位筋形成短路回路，产生大量热量，最终发生熔断事故。

根据故障诊断结果，有针对性地提出了处理意见，处理一年多后，机组穿心螺杆运行状态良好。

[关键词] 水轮发电机；穿心螺杆；熔断；有限元；故障诊断[中图分类号] TM312 [文献标识码] B [文章编号] 1000-3983(2014)07-0098-06A tubular HydrogeneratorThrough-Bolt Failure TroubleshootingLI Jianfu，ZHOU Guanghou，XIAO Jian，LIU Chuankun(Dongfang Electric Corporation Dongfang Electrical Machinery Co. Ltd.，Deyang 618000，China) Abstract:After running for several years, in the maintenance of a tubular turbine, manythrough boltsmelted, and fatigue fracture, insulation damage were found.First,an analysis is done.Then simulation calculationsare doneto investigate the additional losses and the electromagnetic force acted on the through-bolts.Finally, the modal is analyzed. The results show that after long-term operation, under the action of the electromagnetic force vibration, fatigue, deformation, short circuit to stator core is formed with key bars, and a lot of heat is generated.That’s the reason howthe accidents occur.At last, treatment suggestions are proposed. A year after the treatment, the bolts condition are examined and it shows they running well.Keywords: hydrogenerator；through-bolt；melting；finite element；fault diagnosis引言某贯流式水轮发电机在运行数年后，检修时发现多根穿心螺杆发生熔断、疲劳断裂、绝缘损伤等现象，部分与螺杆接触的铁心烧熔。

根据检查情况，总共132根螺杆中有8根螺杆出现不同程度的烧熔、断裂现象；未损坏的穿芯螺杆绝缘不合格32根；其中对地绝缘电阻值为零21根。

对现象进行分析，总结出以下特点：1)烧熔的螺杆分布有明显的规律：都是正对着定位筋的一根；2)现场检查发现穿心螺杆油污严重；3)部分定位筋也有过热现象；4)部分穿心螺杆断口为横向疲劳断裂。

1 初步分析及研究思路根据检查结果，初步推测，损坏的穿心螺杆上存在较大的往复力，长期运行后发生了振动，产生疲劳断裂；同时螺杆上有较大的损耗，长期运行后导致熔断。

螺杆上的损耗可能性最大的是绝缘损伤后，通过铁心背部的定位筋，与铁心发生了两点短路。

图1 过热的定位筋分析思路：(1)找出电磁力产生的机理；图2 熔断的穿心螺杆图3 故障穿心螺杆分布图4 涡流通路及产生的电磁激振力示意(2)找出螺杆大量损耗产生的机理；(3)分析螺杆是否存在接近于电磁激振力的固有频率。

分析方法：(1)分析两种情况的电磁力和损耗对比；a. 螺杆绝缘正常，未发生短路;b. 螺杆端部绝缘破坏，通过边段铁心与定位筋发生短路(2)进行穿心螺杆的固有频率分析。

2 电磁力及涡流损耗的基本原理穿心螺杆在发生短路后，将产生较大的短路电流，并造成较大的电磁力，在与螺杆的固有频率接近时，将产生较强烈的振动。

某坐标点上拉普拉斯力的密度可以用该点的电流密度和磁通密度来表示：()LdF J B dv=⨯某个体区域上所受的拉普拉斯力总和表示为：()L VF J B dv=⨯⎰得到涡流场J的分布后，便可以根据2p Jσ=⨯得到损耗密度分布，再对体区域进行积分便可以得到体区域的总损耗。

涡流通路穿心螺杆短路是假定螺杆在端部绝缘破损，通过边段铁心和定位筋发生短路。

这是最恶劣的情况。

3 空载工况分析运用有限元场路耦合，对绝缘完好和绝缘损坏的空载工况下，螺杆的受力和损耗进行了对比计算。

图5 绝缘完好时的空载磁力线分布根据安培定律，短路螺杆载流方向为轴向，所处位置主要是周向磁场，将产生径向的电磁力，此力为电磁振动的激振力，也符合断口性质。

图6 绝缘破坏后的空载磁力线分布图7 绝缘破坏后的空载磁密分布-30-20-101020300.012950.017950.022950.027950.03295感应电势/V时间/s绝缘良好绝缘破坏图9 空载单根穿心螺杆在绝缘良好和绝缘破坏时的电压波形对比1.0E-31.0E-21.0E-11.0E+01.0E+11.0E+21.0E+31.0E+41.0E+50.012950.017950.022950.027950.03295涡流损耗/W时间/s绝缘良好绝缘破坏图10 空载单根穿心螺杆在绝缘良好和绝缘破坏时的瞬态涡流损耗对比-1000-5005001000150020000.012950.017950.022950.027950.03295电磁力/N时间/s绝缘良好绝缘破坏图11 空载单根穿心螺杆在绝缘良好和绝缘破坏时的径向电磁力对比4 额定负载分析图12 绝缘破坏后的负载磁力线分布图13 绝缘破坏后的负载磁密分布图15负载单根穿心螺杆在绝缘良好和绝缘破坏时的电压波形对比图16 负载单根穿心螺杆在绝缘良好和绝缘破坏时的径向电磁力对比表1 穿心螺杆电磁分析结果工况空载负载穿心螺杆绝缘情况良好破坏良好破坏单根螺杆电压有效值/V 13.20 2.71 12.37 2.64单根螺杆涡流损耗/W 1.43 3097.87 0.58 2457.61 螺杆平均损耗密度/ W/m^3 2.95E+03 6.39E+06 1.19E+03 5.07E+06 电磁力峰峰值/N 0.67 2514.48 0.24 2099.10 结果分析(1) 螺杆绝缘未发生破损时，螺杆中涡流都很小，损耗及电磁力均可忽略；(2) 短路时，单根螺杆损耗最高达2-3kW，必将使螺杆发生过热熔断；(3) 短路螺杆电磁力为2倍工频100Hz；方向向心；峰峰值为2kN以上；结合后面模态计算结果，在螺杆紧力不够的情况下（该机组在此情况下，穿心螺杆的固有频率接近100Hz），螺杆将产生强烈共振；(4) 与定位筋距离较短的那根穿心螺杆，更容易发生短路，绝缘磨损更加严重，更易熔断。

5 模态分析电磁场分析后，对螺杆进行了模态分析，以验证其固有频率分布。

5.1 有无预紧力的影响螺杆装配好后，按照设计要求，应具备约3.8tN 的预紧力，但长期运行后，在碳粉、油污污染、发热、振动、冷热循环导致铁心漆膜收缩等综合原因作用下，预紧力会有所下降。

在有无预紧力的情况下，螺杆的模态计算对比：表2 模态分析结果固有频率/Hz 一阶 二阶 三阶 四阶 无预紧力 34.0 97.2 185.1 306.5 55.2138. 2225.0351.35.2 螺杆固定方式的影响原来方案中，螺杆与铁心之间存在较大空间，固有频率较低，易发生受迫振动，可认为其仅具有2个位于端部的固定约束，若改进螺杆固定方式，减小甚至填实其与铁心之间的空间，为便于对比，认为螺杆沿长度方向存在有5个额外的约束，则表现为：表3 对比方案模态分析结果固有频率/Hz 一阶 二阶 三阶 四阶 无预紧力2支撑 34.0 97.2 185.1 306.5 无预紧力7 支撑983.5986.3993.51001.0根据模态分析结果，该机组穿心螺杆在拉紧力由设计值降至0的过程中，2阶固有频率将从138Hz 下降到97.2Hz ，表明在长期运行后，综合原因作用下，拉紧力逐渐下降，最后该机组螺杆的固有频率接近于100Hz 。

而电磁力分析结果表明，螺杆所受的电磁力为100Hz ，拉紧力不足的螺杆中将会产生强烈振动。

这是该机组发生螺杆损伤故障的特殊之处。

若改进该机组螺杆的固定结构，则螺杆的固有频率将大幅提高，远远避开100Hz 的激振力。

图18 2支点无预紧力一阶振型图19 2支点无预紧力二阶振型图20 7支点无预紧力一阶振型图21 7支点无预紧力二阶振型6 原因总结及处理措施6.1原因总结前面的分析结果表明，该贯流式水轮发电机穿心螺杆发生的故障存在一定特殊性，无预紧力下的二阶固有频率恰好接近100Hz，也正因为此，其他类似机组虽然也存在长期运行预紧力下降的问题，但并没有发生类似情况。

原因具体表现为：(1) 长期运行后，在碳粉、油污污染、发热、振动、冷热循环导致铁心漆膜收缩等综合原因作用下，预紧力下降，固有频率下降至100Hz附近，在铁心自激作用下，螺杆产生振动，长期运行绝缘受到损伤；(2) 螺杆长期遭受油污、碳粉污染，得不到清理，绝缘也会损伤；(3) 绝缘损伤到一定程度，将发生对地短路，造成绝缘电阻下降；当绝缘继续破坏到更严重程度，发生多点短路，将产生大量损耗及电磁力；(4) 振动和绝缘损伤相互作用，振动加剧绝缘损伤，绝缘损伤产生的100Hz激振力使加强振动，最终导致螺杆损坏。

6.2 处理思路及改进措施故障原因明确后，处理思路如下：(1) 改进该机组穿心螺杆的固定结构，避开100Hz的固有频率；(2) 增强穿心螺杆的绝缘；(3) 在铁心与穿心螺杆之间填充柔性物质，尽量减少螺杆振动空间；(4) 增强密封，减少油污。