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發電機定子線棒絕緣燒損原因及對策

摘要:分析了南津渡水電站燈泡貫流式機組定子線棒絕緣劣化導致接地事故的原因,提出了發電機絕緣劣化問題的解決和處理辦法。

關鍵詞:水輪發電機定子絕緣器件事故處理設備維修


1機組概況
  湖南省南津渡水電站機組是20世紀80年代末從奧地利ELIN公司引進的燈泡貫流式機組,裝機3臺,單機容量為20MW。發電機定子直徑2.43m,F級絕緣,定子繞組為分數槽雙層波繞組;定子線棒主絕緣采用粉氧云母為基礎、環氧樹脂為膠粘劑、玻璃纖維補強的熱固性復合絕緣材料,主絕緣單邊厚度2.7mm,線棒與槽壁、槽底、槽楔板、層間半導體隔板間空隙采用注入半導體硅橡膠填充(與國內通常用半導體墊條方式不同)。定子采用貼壁結構,直接固定在燈泡體外殼上。定子鐵芯內部無通風道,利用燈泡體外壁作為定子散熱面,直接將熱量傳導給燈泡體外流過的河水中。發電機冷卻方式為密閉式水循環強迫風冷。一次冷卻系統為密閉空氣冷卻系統,由位于燈泡頭內4臺4kW的軸流風機將風向水空冷卻器冷卻,冷卻后的風經過轉子輪轂上的5個(單側)軸向通風孔到達定子下游側,再經轉子極靴間間隙和氣隙到達定子上游側,再后回到風機。二次冷卻系統為水空冷卻器,采用密閉循環,由燈泡頭外河水經燈泡頭內冷卻套冷卻水空冷卻器產生的熱水。
2定子燒損情況
2.1定子線棒絕緣擊穿
  南津渡水電站機組先后發生了3次定子線棒絕緣擊穿的定子接地故障。首次發生于1999年6月3日,1號機組在并網并帶滿負荷時,突然發生定子接地保護動作停機,后經檢查發現,定子198槽上層線棒(B相)緊靠上游側槽口處被擊穿(擊穿點位于槽內)。在處理過程中,發現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,主絕緣電腐蝕現象嚴重,而下游側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生電腐蝕。2001年7月,亦是1號機組213槽(B相)上層線棒靠近上游側槽口處發生擊穿。2003年6月19日,2號發電機定子222槽下層線棒上游側槽口擊穿。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
  南津渡水電站發電機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完機組后已不再使用這種工藝)。1、2、3號發電機在2002年和2003年先后發生定子端部連接部件接頭焊接處燒斷開焊3次,事故發生點均處于發電機上游側。其中2003年6月19日在2號機事故中同時發現一定子線棒接頭的絕緣并頭套有嚴重燒損現象,拆除后發現該接頭已部分脫焊,焊錫流出焊口,由于及時發現未造成事故。
2.3線棒電腐蝕嚴重
 。玻埃埃蹦隀C組運行中發現有臭氧氣味,特別是2號機臭氧氣味強烈。對2號機檢查發現線棒上游側槽部及槽口處電腐蝕(即電劣化)嚴重。上游側1/3線棒段有白色粉狀物,1/5槽口處槽壁有黑點、毛刺、啃齒,槽楔松動,硅橡膠老化;下游側線棒未見異常。上游側部分線棒與槽壁間普遍存在0.3~1mm間隙,線棒有松動現象。在機組事故搶修中拆下的未擊穿線棒也可以明顯發現上游側線棒段電腐嚴重,填充硅橡膠老化現象,而下游側完好如初。線棒電腐蝕嚴重部位為時鐘10至2點鐘區間,該部位為各相繞組高電位處。其它兩臺機也有類似現象。
3定子燒損主要原因
3.1定子線圈槽絕緣結構設計存在缺陷
  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。
  通過上述數據發現,假若疊片質量很好,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,易產生局放電現象,長時間作用下,可造成線棒絕緣燒損劣化,表現為槽部電腐蝕。南津渡水電站發現的定子槽部有白色粉狀物,運行中產生臭氧等,應是長期局部放電所致。由機組10至2點鐘區間線棒處于各相高電位區,線棒與槽壁電位差較其它區域要大,局部放電更為嚴重,從而導致此處電腐蝕最嚴重。線棒主絕緣單邊僅2.7mm,屬超薄型絕緣,雖技術比較先進,但不足的是:在線棒換位處對地絕緣更薄,生產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冷卻系統散熱能力不足
 。撑_發電機事故點及電腐蝕嚴重區域都處于定子線棒上游側段,而線棒下游側段無異常,說明事故及線棒燒損的區域存在規律性。從事故及線棒燒損區域可以發現其處于冷卻風道的后段,而冷卻風在此段溫度已升高,冷卻能力相對下降,此區域為定子高溫區域。由于在常溫附近電介質的熱劣化隨溫度升高而劣化作用加大、劣化速度加快,因此這個區域絕緣劣化速度比其區域快且強烈,造成事故和燒損集中于此區域發生。同樣,若定子端部焊接有缺陷而導致發熱時,則上游側開焊事故機率遠大于下游側。造成風冷系統冷卻能力不足的原因有:1)由于設計缺陷造成局部放電較為強烈,對定子發熱量和溫升估計不足;2)冷卻系統設計有缺陷。由概況介紹中可知,定子內未設計通風道,定子鐵芯內部散熱不夠,造成熱量積累。因冷卻風量不足,導致冷卻風在風道后段溫度過高;3)冷卻風到達風道末段后,有風機的強迫抽取作用,由轉子磁極間隙和氣隙流出的氣流直接被風機抽走,上游側定子端部與燈泡體間局部范圍內氣流量很小,加上冷卻風溫度升高等因素使得上游側定子端部冷卻條件差。
3.3機械力作用加劇絕緣破壞
  發電機定子線圈在運行中一旦松動,在機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。檢查中發現上游側線棒與槽壁間有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,在槽口發生事故機率比在槽內大得多。因此可以很好地解釋為什么事故都發生在線棒槽口。分析發電機線棒松動的主要原因有:1)上游側線圈、槽楔及槽內各間隙填充的硅橡膠等長期處于高溫運行中,逐漸收縮;2)3.1所述疊片公差過大等結構設計缺陷;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運行環境不良
  燈泡貫流式機組最大的特點是整個機組浸于水下,外殼四周充滿河水,機組結構緊湊且封閉。當機殼內溫度高于河水,且空氣濕度較大時(我國南方天氣正有這個特點),就很容易在機殼內腔結露。這種結露在運行中較難發生且影響不大,一旦停機時間較長,就可能結露使發電機受潮,大大降低了發電機的絕緣。ELIN公司的機組設計有防結露設施,但效果不佳,經常在機組停機時,發現有結露現象。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生的工業諧波加以治理。經權威部門測試發現,諧波指標嚴重超標,超標諧波主要有3、5、7、11次。這些諧波直接侵入機組,加大了發電機的附加損耗,對發電機絕緣劣化也有一定作用。
  分析上述幾方面原因,其中線棒絕緣設計缺陷和冷卻系統冷卻能力不足是造成事故和線棒燒損的內在因素,機械破壞作用和不良運行環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構和引出線接頭等設計不合理有很大關系,在國內尋找替代廠商進行優化設計,逐步更換定子繞組。通過改變槽內絕緣結構,改進線棒端部接頭焊接結構,改變焊接工藝(如采用銀銅焊)等,從內在結構上消除或減弱故障產生內因。
4.2改造發電機冷卻系統
  由于冷卻能力存在不足,因此有必要對冷卻系統進行改造。因定子改造短期內難以實現,考慮到更換部分燒損嚴重的線棒和加固松動的線棒后,發電機在運行條件良好的情況下還能正常運行,應先改造冷卻系統,以少的投入,使機組產生最大效益。主要改造措施:1)增大風機容量或增加風機,加大通風量;2)改造或增加水空冷卻器,增強其冷卻能力;3)改變冷卻風流向,將風向逆轉,改由從定子上游側注入,改善上游側線棒的冷卻性能,延長線棒使用壽命;4)改變風向后在定子下游側增加離心風扇,改善下游側端部散熱性能。
4.3加強對機組的監測
  增加在線監測設備,對機組運行情況及時掌握。特別是要增加測溫設施,在定子兩端增加測溫設施,加上原有定子中部的測溫裝置,對運行中的定子溫度進行監測比較;增加冷卻風道末端風的溫度監測設施,對冷卻風首端風和末端風的溫度進行監測比較。
4.4改善發電機運行環境
  先是要治理好工業諧波(目前已完成)。再是要降低機組結露的危害。為減輕結露對機組的影響,在原有的基礎上增加三臺除濕機,有效降低空氣濕度。在機組停機時間較長后,對機組采取一定的干燥措施。


參考文獻
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[2]沙錫林,等.《貫流式水電站》.北京:中國水利水電出版社,1999.
[3]邱毓昌,等.《高電壓工程》.西安:西安交通大學出版社,1995.
[4]鐘步青.電機的風扇與冷卻.電機技術,2003,(3):26-29.
[5]付嵐貴,金英蘭.大型水輪發電機定子線棒絕緣厚度減薄研究.絕緣材料通訊,2000(3):31—35.

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