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马头发电总厂5号发电机为前苏联列宁格勒电工厂生产的汽轮发电机，型号为TBB-200-2A，额定容量为210MW，冷却方式为水氢氢。该机组1979年1月投入运行。额定运行正常补氢量约为24 m3／d，2001年1月22日发电机带额定负荷，补氢量升至28 m3，23日补氢量升至44.8 m3，发电机的补氢量比以往明显增大，经对发电机密封大盖、轴封等处连续检查未发现漏点，25日补氢量又升至50.4 m3，继续检查漏氢原因，发现发电机静子冷却水的水箱口处氢气含量在4%左右，从汽水分离器观看，发现水中含有气体，经过分析认为发电机内部冷却水系统存在漏点，决定立即停机查找漏点。
1 漏点查找
停机进行氢气置换后，将发电机底部人孔门打开，静子水压保持在0.2 MPa/cm.2，检查发现在发电机汽侧定子线棒端部绝缘盒处，时钟约8时位置漏水。将发电机汽侧的上下端盖拆开并抽出转子后，再次保持水压0.2 MPa/cm2，发现第50槽下层线棒并头套焊接处漏水。将靠近并头套处的绝缘拨开，发现在线圈的多股并排封焊与并头套焊接处的焊缝之间漏水。与故障漏水线棒连接并绑在一起的第25槽上层线棒从鼻部到槽口渐开线部分的所有绑线全部断裂，用手搬动25槽上层线棒有10 mm左右的活动量，渐开线部分的其它绑绳良好。故障线棒为B相2分支的第4根线棒。
2 检查处理过程
有关资料记载表明，前苏联机组线棒并头套的焊接使用材料为磷铜材质。现场经过几次对并头套及股线焊接，通0.1 MPa/cm2水压试验后，焊缝处仍有漏水现象。决定将线棒的并头套(集水盒)取下，打磨掉表面氧化物，彻底焊接。当取下并头套后，稍一动定子线棒的股线，股线即断裂，断裂位置在线棒鼻部稍下，距R角80 mm处；共有7根股线断裂，其中空芯铜线4根，实芯扁铜线3根(每根线棒共有空心铜股线14根，实心扁铜股线12根，对排并焊)。断裂截面呈半圆形或海滩状图形.
当取出第25槽上层线棒后，发现渐开线部位的下层垫块已松动。第50槽下层线棒靠近鼻部未断开的10根空芯、9根实芯铜股线也有明显的裂纹(见图1中b图)。根据线棒断裂的情况，根本不可能进行局部修理，必须更换线棒。由于断裂的线棒是第50槽下层，必须起出一节距(26槽)上层(发电机静子共计60槽)线棒才能进行更换。另外在渐开线部分与50槽线棒绑在一起的第25槽上层线棒，它在运行中振动使绑绳断裂，虽然表面观查还没有发现线棒漏水等现象，但线棒中的金属股线将会因振动而产生疲劳，此次检修也必须将其更换。从1月25日停机检查处理到2月22日开机并网，整个修复过程用时近1个月，电厂经济损失严重。
3 线棒断裂原因分析
3.1定子线棒受力情况
发电机线棒在运行中总是受到一个交变力的作用，这个交变力的变化频率是工频的2倍，并且随着汽轮发电机单机容量的增大，作用于定子绕组上二倍频率脉动的电动力增加很多。发电机运行中在定子绕组端部产生径向和切向分量的力，该力与定子电流的平方成正比。
制造厂对定子绕组槽部和端部的固定强度，都会按照短路时线棒每厘米长度上承受的力(约几百公斤)的数值来估算，同时，也考虑绕组绝缘承受的压力(不超过100～200 kg/cm2)。
对于容量较大的汽轮发电机的定子来说，一般也应考虑二倍频脉动的电磁力作用。在正常运行方式下，由于有较大的二倍频交变电磁力作用在定子线棒上，当线棒自身的固有振动频率接近于激励力的频率100 Hz时，定子线棒即接近于谐振条件，此时如果线棒固定不当，则振动幅值可能会达到相当大的数值。有资料介绍能达到正常运行振动幅值的几十倍。因此，在发电机定子线棒固定时，应不让其固有频率在100 Hz左右。如果定子线棒的机械固有频率在100 Hz附近，就有可能导致如下的后果：
(1) 个别线棒的绝缘在运行中将被逐渐磨损，因为振动的线棒和相对静止件间产生摩擦使绝缘磨损；另外，振动使得线棒的固定件产生松动甚至脱落，使发电机内产生不应有的异物，威胁发电机的安全运行。如我省某电厂1台300 MW发电机就发生过线棒端部严重磨损的情况。这台机组于1994年11月投运后，1996年7月进行第一次大修，在大修解体后发现，发电机励侧定子铁芯槽口处线棒间垫块大量松动，其分支过渡引线的固定压板部分松动，并有螺栓、螺母脱落，最严重的是线棒绝缘磨损后又将导体磨损深约2 mm，幸未发生事故。
(2) 由前所述，定子线棒的交变受力值与电流的二次方成正比，随着发电机单机容量的增大，定子线电流增大，线棒所受的交变力急剧上升。当个别线棒端部发生振动时，其股线会因受交变弯曲力而产生金属性疲劳甚至断裂，造成氢冷机组运行中漏氢、渗水等现象。实践表明，绝大多数股线故障都是由于端部渐开线或鼻部振动大，造成股线疲劳而引起。
(3) 线棒的振动将加速绝缘老化。有关线棒交变弯曲试验的结果表明，现代大型发电机使用的环氧云母绝缘，其剩余击穿电压随反复弯曲次数的增大而减小，当弯曲次数达10.7时，其绝缘强度开始逐步降低。因此，随着运行时间的增长，弯曲次数的积累增加，会使线棒绝缘出现皱纹。使得线棒与绝缘间出现间隙，从而导致局部放电和线棒绝缘的耐压水平降低。
3.2 线棒断裂原因
马头电厂5号机漏氢事故发生后，取下故障线棒端部绝缘盒并对其进行固有振动频率测量。测量结果为汽侧除第25槽线棒端部振动频率为94 Hz外，其余线棒的固有振动频率都没有在94～115 Hz范围内。按照《电力设备预防性试验规程》的要求，汽轮发电机定子绕组引线的自振频率不得介于二倍频的±10%范围内。因此，第25槽线棒绑线的振断及其渐开线下层第50槽线棒鼻部漏水、金属股线断裂与线棒受二倍频电磁力作用而产生的共振有关。该厂5号机定子绕组端部固定使用的是玻璃丝绑绳，比普通绑绳结实，但抗拉性较差。在长期运行过程中，主要是在温度的作用下，个别线棒绝缘收缩，使线棒位移间隙增大，刚度发生变化，当其固有频率在100 Hz左右时，就会出现线棒共振现象并发生径向位移。共振使得线棒振动幅值比正常时大几十倍，由于玻璃丝绑绳抗拉性较差，使得该机端部渐开线部分的绑绳断裂。当线棒端部发生振动时，其金属股线会因受交变弯曲力而产生金属性疲劳，致使股线产生裂纹甚至断裂。对氢冷机组而言，此时则表现为补氢量增大.
4 模态分析情况
在测量线棒自振频率的同时，还测取了汽侧端部线棒的模态数据。根据测量的数据，在发电机端部线圈振动模态分析软件上的分析结果为：发电机汽侧整体模态在66.3 Hz和84.0 Hz，是椭圆振型；在109.4 Hz是三瓣振型。
从模态分析结果看，并不在“振型为椭圆、固有频率在94～115 Hz之间”的不合格范围内。对于该机来说，在测量线棒端部固有振动频率时，汽侧60根线棒只有第25槽线棒的固有频率在94～115 Hz范围内，具体数据见表1。而就是这一根线棒因振动疲劳使绑绳断裂、股线出现裂纹，造成发电机漏氢、停机事故。因此，在判断发电机线棒端部结构状况时，有些问题可能需要继续探讨。
从这次事故来看，对于端部固有振动频率在94～115 Hz范围内的个别线棒，不论其模态振型如何，在检修时均应进行加固处理。对于一侧(励侧或汽侧)有多个端部线棒出现固有振动频率在94～115 Hz的，应在进行模态分析后，对“振型为椭圆、固有频率在94～115 Hz之间”的发电机进行端部结构改造。
5 预防措施
5.1 对定子绕组的固定状态进行外观检查
在每次停机大修时，对发电机定子端部线棒应进行外观检查，及时恢复槽楔和端部绑绳的紧度。检查端部过渡线支撑架及紧固螺栓状况，防止其松动脱落。因为在发电机运行过程中，线棒在工作温度下，局部槽绝缘会产生干缩，此时表现形式是槽楔松动，线棒在电动力的作用下，引起线棒的位移和出现径向振动，使绝缘磨损；过渡线支撑架及紧固螺栓在其它电机的运行中也曾经出现过松动和螺栓掉出，使机内出现不应有的异物，威胁发电机的安全运行。
5.2 积极开展发电机端部绕组二倍频测量及模态分析工作
定子绕组振动，会使绝缘产生积累变形、股线和铜线疲劳、绝缘磨损、绕组寿命降低，还可能引起水冷系统渗水、进氢，破坏发电机的正常运行。结合发电机大修，对发电机定子端部线棒进行二倍频测量及模态分析，是防止发电机定子端部线棒发生振动的重要而有效的手段，对测量中出现的端部固有振动频率在94～115 Hz范围内的个别线棒应进行加固处理，对模态分析不合格的发电机应进行端部结构改造。
5.3 加强对冷却水水箱口处氢气含量监视
多次实践表明，检测发电机定子内冷水冷却水箱含氢量是发现机内渗水漏氢的有效方法。发电机在运行时机内的氢气压力大于定子冷却水压，如果线棒发生裂纹、磨损等故障，氢气将进入定子水冷系统，继而由汇水管进入冷却水箱，致使其内含氢量上升。根据漏氢渗水的不同部位，可造成发电机定子绝缘降低、一点接地，严重时可引起机内短路、铁芯烧损等。因此及时发现冷却水箱内含氢量的变化，能够及时避免事故的扩大，减少损失。
参考文献
［1］王绍禹，周德贵.大型发电机绝缘的运行特性与试验.北京：水利电力出版社，1991.
［2］王绍禹，李德基等译.直接冷却汽轮发电机的运行.北京：电力工业出版社，1979.
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