發(fā)電機(jī)定子線棒絕緣燒損原因及對策工學(xué)論文
摘要：分析了南津渡水電站燈泡貫流式機(jī)組定子線棒絕緣劣化導(dǎo)致接地事故的原因，提出了發(fā)電機(jī)絕緣劣化問題的解決和處理辦法。
關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機(jī)定子絕緣器件事故處理設(shè)備維修
１機(jī)組概況
湖南省南津渡水電站機(jī)組是２０世紀(jì)８０年代末從奧地利ＥＬＩＮ公司引進(jìn)的燈泡貫流式機(jī)組，裝機(jī)３臺，單機(jī)容量為２０ＭＷ。發(fā)電機(jī)定子直徑２．４３ｍ，Ｆ級絕緣，定子繞組為分?jǐn)?shù)槽雙層波繞組；定子線棒主絕緣采用粉氧云母為基礎(chǔ)、環(huán)氧樹脂為膠粘劑、玻璃纖維補(bǔ)強(qiáng)的熱固性復(fù)合絕緣材料，主絕緣單邊厚度２．７ｍｍ，線棒與槽壁、槽底、槽楔板、層間半導(dǎo)體隔板間空隙采用注入半導(dǎo)體硅橡膠填充（與國內(nèi)通常用半導(dǎo)體墊條方式不同）。定子采用貼壁結(jié)構(gòu)，直接固定在燈泡體外殼上。定子鐵芯內(nèi)部無通風(fēng)道，利用燈泡體外壁作為定子散熱面，直接將熱量傳導(dǎo)給燈泡體外流過的河水中。發(fā)電機(jī)冷卻方式為密閉式水循環(huán)強(qiáng)迫風(fēng)冷。一次冷卻系統(tǒng)為密閉空氣冷卻系統(tǒng)，由位于燈泡頭內(nèi)４臺４ｋＷ的軸流風(fēng)機(jī)將風(fēng)向水空冷卻器冷卻，冷卻后的風(fēng)經(jīng)過轉(zhuǎn)子輪轂上的５個（單側(cè)）軸向通風(fēng)孔到達(dá)定子下游側(cè)，再經(jīng)轉(zhuǎn)子極靴間間隙和氣隙到達(dá)定子上游側(cè)，再后回到風(fēng)機(jī)。二次冷卻系統(tǒng)為水空冷卻器，采用密閉循環(huán)，由燈泡頭外河水經(jīng)燈泡頭內(nèi)冷卻套冷卻水空冷卻器產(chǎn)生的熱水。
２定子燒損情況
２．１定子線棒絕緣擊穿
南津渡水電站機(jī)組先后發(fā)生了３次定子線棒絕緣擊穿的定子接地故障。首次發(fā)生于１９９９年６月３日，１號機(jī)組在并網(wǎng)并帶滿負(fù)荷時，突然發(fā)生定子接地保護(hù)動作停機(jī)，后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，定子１９８槽上層線棒（Ｂ相）緊靠上游側(cè)槽口處被擊穿（擊穿點(diǎn)位于槽內(nèi)）。在處理過程中，發(fā)現(xiàn)事故線棒靠近擊穿位置約４/５線棒全長處已呈白色，防暈層完全破壞，主絕緣電腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，而下游側(cè)段線棒從槽口處起有３０～４０ｃｍ長的線棒直線段防暈層沒有受損且未發(fā)生電腐蝕。２００１年７月，亦是１號機(jī)組２１３槽（Ｂ相）上層線棒靠近上游側(cè)槽口處發(fā)生擊穿。２００３年６月１９日，２號發(fā)電機(jī)定子２２２槽下層線棒上游側(cè)槽口擊穿。后兩次定子接地事故與第一次類似。
２．２定子線棒連接部件多次開焊燒斷
南津渡水電站發(fā)電機(jī)定子線棒端部接頭采用對接錫焊焊接（ＥＬＩＮ公司自為南津渡生產(chǎn)完機(jī)組后已不再使用這種工藝）。１、２、３號發(fā)電機(jī)在２００２年和２００３年先后發(fā)生定子端部連接部件接頭焊接處燒斷開焊３次，事故發(fā)生點(diǎn)均處于發(fā)電機(jī)上游側(cè)。其中２００３年６月１９日在２號機(jī)事故中同時發(fā)現(xiàn)一定子線棒接頭的絕緣并頭套有嚴(yán)重?zé)龘p現(xiàn)象，拆除后發(fā)現(xiàn)該接頭已部分脫焊，焊錫流出焊口，由于及時發(fā)現(xiàn)未造成事故。
２．３線棒電腐蝕嚴(yán)重
２００１年機(jī)組運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)有臭氧氣味，特別是２號機(jī)臭氧氣味強(qiáng)烈。對２號機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)線棒上游側(cè)槽部及槽口處電腐蝕（即電劣化）嚴(yán)重。上游側(cè)１／３線棒段有白色粉狀物，１／５槽口處槽壁有黑點(diǎn)、毛刺、啃齒，槽楔松動，硅橡膠老化；下游側(cè)線棒未見異常。上游側(cè)部分線棒與槽壁間普遍存在０．３～１ｍｍ間隙，線棒有松動現(xiàn)象。在機(jī)組事故搶修中拆下的未擊穿線棒也可以明顯發(fā)現(xiàn)上游側(cè)線棒段電腐嚴(yán)重，填充硅橡膠老化現(xiàn)象，而下游側(cè)完好如初。線棒電腐蝕嚴(yán)重部位為時鐘１０至２點(diǎn)鐘區(qū)間，該部位為各相繞組高電位處。其它兩臺機(jī)也有類似現(xiàn)象。
３定子燒損主要原因
３．１定子線圈槽絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計存在缺陷
查ＥＬＩＮ公司圖紙，定子線棒寬１６．３ｍｍ，其中股線寬１０．９ｍｍ，主絕緣２．７ｍｍ；定子槽寬為１７ｍｍ（沖片），槽形寬１６．６ｍｍ，疊片公差雙邊０．４ｍｍ（單邊０．２ｍｍ）：槽襯寬０．４ｍｍ，加線棒寬為１６．７ｍｍ，與槽形裝配在寬度方向上有０．１ｍｍ的過盈，但與沖片寬有０．３ｍｍ的間隙：線棒與槽壁間充填硅橡膠０．２ｍｍ，雙邊０．４ｍｍ。
通過上述數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，假若疊片質(zhì)量很好，則０．４ｍｍ的雙邊公差就偏大。線棒下線公差０．３ｍｍ，特別是采用液壓成型工藝的，線棒本身公差就較大。合計兩部分公差后，在槽壁與線棒之間間隙最大可達(dá)０．６ｍｍ以上。由于槽壁與線棒間間隙較大，兩者之間電位差較大，易產(chǎn)生局放電現(xiàn)象，長時間作用下，可造成線棒絕緣燒損劣化，表現(xiàn)為槽部電腐蝕。南津渡水電站發(fā)現(xiàn)的定子槽部有白色粉狀物，運(yùn)行中產(chǎn)生臭氧等，應(yīng)是長期局部放電所致。由機(jī)組１０至２點(diǎn)鐘區(qū)間線棒處于各相高電位區(qū)，線棒與槽壁電位差較其它區(qū)域要大，局部放電更為嚴(yán)重，從而導(dǎo)致此處電腐蝕最嚴(yán)重。線棒主絕緣單邊僅２．７ｍｍ，屬超薄型絕緣，雖技術(shù)比較先進(jìn)，但不足的是：在線棒換位處對地絕緣更薄，生產(chǎn)加工中在個別換位處形成絕緣層過薄是可能的。在換位處，若存在長期電腐蝕，絕緣被擊穿的可能性更大。
３．２冷卻系統(tǒng)散熱能力不足
�。撑_發(fā)電機(jī)事故點(diǎn)及電腐蝕嚴(yán)重區(qū)域都處于定子線棒上游側(cè)段，而線棒下游側(cè)段無異常，說明事故及線棒燒損的區(qū)域存在規(guī)律性。從事故及線棒燒損區(qū)域可以發(fā)現(xiàn)其處于冷卻風(fēng)道的后段，而冷卻風(fēng)在此段溫度已升高，冷卻能力相對下降，此區(qū)域為定子高溫區(qū)域。由于在常溫附近電介質(zhì)的熱劣化隨溫度升高而劣化作用加大、劣化速度加快，因此這個區(qū)域絕緣劣化速度比其區(qū)域快且強(qiáng)烈，造成事故和燒損集中于此區(qū)域發(fā)生。同樣，若定子端部焊接有缺陷而導(dǎo)致發(fā)熱時，則上游側(cè)開焊事故機(jī)率遠(yuǎn)大于下游側(cè)。造成風(fēng)冷系統(tǒng)冷卻能力不足的原因有：１）由于設(shè)計缺陷造成局部放電較為強(qiáng)烈，對定子發(fā)熱量和溫升估計不足；２）冷卻系統(tǒng)設(shè)計有缺陷。由概況介紹中可知，定子內(nèi)未設(shè)計通風(fēng)道，定子鐵芯內(nèi)部散熱不夠，造成熱量積累。因冷卻風(fēng)量不足，導(dǎo)致冷卻風(fēng)在風(fēng)道后段溫度過高；３）冷卻風(fēng)到達(dá)風(fēng)道末段后，有風(fēng)機(jī)的強(qiáng)迫抽取作用，由轉(zhuǎn)子磁極間隙和氣隙流出的氣流直接被風(fēng)機(jī)抽走，上游側(cè)定子端部與燈泡體間局部范圍內(nèi)氣流量很小，加上冷卻風(fēng)溫度升高等因素使得上游側(cè)定子端部冷卻條件差。
３．３機(jī)械力作用加劇絕緣破壞
發(fā)電機(jī)定子線圈在運(yùn)行中一旦松動，在機(jī)械振動和電磁振動作用下會使主絕緣磨損，造成線圈損壞引起短路和接地故障。檢查中發(fā)現(xiàn)上游側(cè)線棒與槽壁間有０．３～１ｍｍ間隙，線棒松動，可以斷定存在振動損傷主絕緣的危害。由于機(jī)組線棒振動最劇烈的部位是線棒的端部，使得線棒的槽口段破壞加速，在槽口發(fā)生事故機(jī)率比在槽內(nèi)大得多。因此可以很好地解釋為什么事故都發(fā)生在線棒槽口。分析發(fā)電機(jī)線棒松動的主要原因有：１）上游側(cè)線圈、槽楔及槽內(nèi)各間隙填充的硅橡膠等長期處于高溫運(yùn)行中，逐漸收縮；２）３．１所述疊片公差過大等結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷；３）長期的.局部放電造成絕緣層及硅橡膠的收縮和劣化。
３．４運(yùn)行環(huán)境不良
燈泡貫流式機(jī)組最大的特點(diǎn)是整個機(jī)組浸于水下，外殼四周充滿河水，機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊且封閉。當(dāng)機(jī)殼內(nèi)溫度高于河水，且空氣濕度較大時（我國南方天氣正有這個特點(diǎn)），就很容易在機(jī)殼內(nèi)腔結(jié)露。這種結(jié)露在運(yùn)行中較難發(fā)生且影響不大，一旦停機(jī)時間較長，就可能結(jié)露使發(fā)電機(jī)受潮，大大降低了發(fā)電機(jī)的絕緣。ＥＬＩＮ公司的機(jī)組設(shè)計有防結(jié)露設(shè)施，但效果不佳，經(jīng)常在機(jī)組停機(jī)時，發(fā)現(xiàn)有結(jié)露現(xiàn)象。另外，由于電站直供了幾家冶煉廠和化工廠的電力，而這些廠家未對其所產(chǎn)生的工業(yè)諧波加以治理。經(jīng)權(quán)威部門測試發(fā)現(xiàn)，諧波指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)，超標(biāo)諧波主要有３、５、７、１１次。這些諧波直接侵入機(jī)組，加大了發(fā)電機(jī)的附加損耗，對發(fā)電機(jī)絕緣劣化也有一定作用。
分析上述幾方面原因，其中線棒絕緣設(shè)計缺陷和冷卻系統(tǒng)冷卻能力不足是造成事故和線棒燒損的內(nèi)在因素，機(jī)械破壞作用和不良運(yùn)行環(huán)境加速和加劇了事故和線棒燒損的形成。
４對策
４．１改造定子繞組
由于故障與槽絕緣結(jié)構(gòu)和引出線接頭等設(shè)計不合理有很大關(guān)系，在國內(nèi)尋找替代廠商進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，逐步更換定子繞組。通過改變槽內(nèi)絕緣結(jié)構(gòu)，改進(jìn)線棒端部接頭焊接結(jié)構(gòu)，改變焊接工藝（如采用銀銅焊）等，從內(nèi)在結(jié)構(gòu)上消除或減弱故障產(chǎn)生內(nèi)因。
４．２改造發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)
由于冷卻能力存在不足，因此有必要對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改造。因定子改造短期內(nèi)難以實現(xiàn)，考慮到更換部分燒損嚴(yán)重的線棒和加固松動的線棒后，發(fā)電機(jī)在運(yùn)行條件良好的情況下還能正常運(yùn)行，應(yīng)先改造冷卻系統(tǒng)，以少的投入，使機(jī)組產(chǎn)生最大效益。主要改造措施：１）增大風(fēng)機(jī)容量或增加風(fēng)機(jī)，加大通風(fēng)量；２）改造或增加水空冷卻器，增強(qiáng)其冷卻能力；３）改變冷卻風(fēng)流向，將風(fēng)向逆轉(zhuǎn)，改由從定子上游側(cè)注入，改善上游側(cè)線棒的冷卻性能，延長線棒使用壽命；４）改變風(fēng)向后在定子下游側(cè)增加離心風(fēng)扇，改善下游側(cè)端部散熱性能。
４．３加強(qiáng)對機(jī)組的監(jiān)測
增加在線監(jiān)測設(shè)備，對機(jī)組運(yùn)行情況及時掌握。特別是要增加測溫設(shè)施，在定子兩端增加測溫設(shè)施，加上原有定子中部的測溫裝置，對運(yùn)行中的定子溫度進(jìn)行監(jiān)測比較；增加冷卻風(fēng)道末端風(fēng)的溫度監(jiān)測設(shè)施，對冷卻風(fēng)首端風(fēng)和末端風(fēng)的溫度進(jìn)行監(jiān)測比較。
４．４改善發(fā)電機(jī)運(yùn)行環(huán)境
先是要治理好工業(yè)諧波（目前已完成）。再是要降低機(jī)組結(jié)露的危害。為減輕結(jié)露對機(jī)組的影響，在原有的基礎(chǔ)上增加三臺除濕機(jī)，有效降低空氣濕度。在機(jī)組停機(jī)時間較長后，對機(jī)組采取一定的干燥措施。
參考文獻(xiàn)
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