發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁極接頭過熱缺陷的分析及處理①

摘 要：磁極間接頭過熱燒損是發(fā)電機轉(zhuǎn)子常見故障，通過常規(guī)試驗很難在早期發(fā)現(xiàn)這一隱蔽式缺陷，預防性試驗接觸電阻檢驗合格不等于接觸可靠。索風營發(fā)電廠利用機組大修對轉(zhuǎn)子磁極引線接頭全部拆開檢查并進行鍍銀改造。通過改造提高了接頭載流穩(wěn)定性，同時也減少了機組激磁損耗和機組轉(zhuǎn)子磁極間接頭接觸電阻數(shù)值的分散性，提高了機組的安全穩(wěn)定性。摘自創(chuàng)業(yè)家資料庫{h#K/R5ye$A&b

關鍵詞：水輪發(fā)電機組 轉(zhuǎn)子磁極間接頭 導電接觸面 過熱 改造

中圖分類號：TM5 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（a）-0099-02

1 設備技術參數(shù)

索風營發(fā)電廠3臺200 MW水輪發(fā)電機組，哈爾濱電機廠有限責任公司制造，發(fā)電機型號：F200-52/13600，額定容量：200 MVA，定子額定電流：8379 A，定子額定電壓：15.75 kV，轉(zhuǎn)子額定電流1743.7 A，轉(zhuǎn)子額定電壓385.5 V，發(fā)電機絕緣等級：F級。

機組投產(chǎn)時間及運行狀況。

首臺機（一號機組）2005年8月28日投產(chǎn)發(fā)電，同年年底二號機、次年6月三號機投產(chǎn)發(fā)電。索風營三臺機組投產(chǎn)后，試驗和運行數(shù)據(jù)顯示，三臺機組在10～130 MW之間均振擺較大，這一區(qū)域被定為機組振動區(qū)，機組在130 MW及以上運行。

2 磁極結構簡介

索風營發(fā)電機轉(zhuǎn)子共計52個磁極，每個磁極線圈26匝，匝間墊間苯酚上膠玻璃胚布熱壓成整體，線圈銅排截面積80×8 mm2=640 mm2，極間連接轉(zhuǎn)配采用“U”銅排，連接如下圖所示，接頭可視接觸面80×60 mm2=4800 mm2，兩個接頭分別用2顆M12-8螺栓緊固連接。勵磁引線采用90×9銅母線，勵磁引線和磁極抽頭引線得接頭接觸面采用搪錫工藝，“U”銅排亦采用搪錫工藝（實際未作表面處理，裸銅排）。（見圖1）

3 機組檢修發(fā)現(xiàn)的問題

3.1 機組大修時間

2008年3月7日至5月6日，一號機組大修；2008年12月1日至09年1月24日，二號機組大修；2009年3月3日至4月22日，三號機組大修；2010年10月15日，一號機組第二次大修（主要是處理水輪機導葉軸套漏水問題）。

3.2 檢修發(fā)現(xiàn)的問題

2008年1號機組大修發(fā)現(xiàn)：4號和5號磁極間、32號和33號磁極間連接接頭絕緣發(fā)黑碳化，“U”型連接銅排表面嚴重氧化且坑凹不平，過熱燒損嚴重，其中4號磁極引線導電接觸面最大的凹處直徑10 mm、深2 mm以上。這次檢修打磨燒損接頭后涂抹導電膏，未作搪錫或鍍銀處理。

2008年至2009年2號機組大修發(fā)現(xiàn)：連接52號磁極的勵磁引線穿過轉(zhuǎn)子支架上端面處放電，銅排引線已燒損一貫穿性小洞，支架燒損寬20 mm，深10 mm。

2009年3號機組大修發(fā)現(xiàn)：27號和28號磁極間、39號和40號磁極間連接接頭絕緣發(fā)黑碳化，“U”型連接銅排表面嚴重氧化且坑凹不平，過熱燒損嚴重。處理方式和08年1號機組大修相同。

2010年1號機組大修發(fā)現(xiàn)：新增42號和43號磁極間上述過熱嚴重燒損點，處理過的4號和5號磁極間、32號和33號磁極間連接接頭雖未進一步燒損，打開絕緣發(fā)現(xiàn)接觸面涂抹的導電膏已干燥板結，導電接觸面氧化發(fā)黑。（見圖2）

3.3 歷次檢修試驗數(shù)據(jù)（附表1）

歷次檢修時測量的轉(zhuǎn)子繞組絕緣電阻、整體直流電阻、單個磁極與磁極連接的直流電阻見表1。

歷次檢修試驗數(shù)據(jù)看出，整體直流電阻為毫歐級，149～151 mΩ之間，單個磁極連接，二號機9～20μΩ不等，三號機9～15μΩ不等，一號機搪錫和鍍銀處理后的單個磁極連接4～5.9μΩ不等，但整體直流電阻仍為毫歐級，149.7 mΩ。新增的42-43連接67μΩ，燒損最嚴重的三號機39-40接頭也不過194μΩ，微歐級，對整體數(shù)值沒有影響。

通過這些數(shù)據(jù)分析，即便單個磁極連接出現(xiàn)過熱缺陷，其之變化也局限在微歐級，由于直阻測試儀測試誤差，轉(zhuǎn)子繞組常規(guī)的整體直流電阻試驗是無法發(fā)現(xiàn)單個磁極間連接的早期接觸性缺陷的。

另外未作接頭處理的二號、三號機組，單個磁極連接在微歐級別直阻差距較大，9～20μΩ之間，搪錫和鍍銀處理后的一號機的單個磁極連接4～5.9μΩ之間，單個磁極連接的直阻分散性大為降低。

5 金屬導電體導電通流的物理特性

5.1 電力常用金屬導體的物理參數(shù)

常態(tài)下（由表可知）導電性能最好的依次是銀、銅、鋁，這三種材料是最常用的，常被用來作為導線等，其中銅用的最為廣，鋁線化學性質(zhì)不穩(wěn)定容易氧化，但由于鋁密度小，取材廣泛，且價格比銅便宜，目前被廣泛用于電力系統(tǒng)中傳輸電力的架空輸電線路；其中銀是惰性金屬，很難被空氣氧化，但價格昂貴；常溫下，錫也不會與水和氧氣反應，但熔點較低。

導電母線主要采用的銅材和鋁材就是在較清潔的大氣中也極易氧化，其表面會生成氧化膜。在大氣中銅只要2～3 min，鋁僅需2～3 s，其表面便可形成厚度約2 um的氧化膜層。鋁的氧化膜是三氧化二鋁，其電阻率比純鋁的要大19個數(shù)量級，而且非常牢固；銅的氧化膜是氧化銅及氧化亞銅，其電阻率比純銅的大16個數(shù)量級（1016）以上，而且要在其熔點左右的溫度下才能分解；這些氧化膜基本上都不導電。接觸面上這類氧化膜只有借機械方式局部破除它，但破除后，若接觸面不能隨之得到保護，被破除氧化膜的部分隨即又會重新生成氧化膜。

5.2 導電接觸面

在顯微鏡下觀察導電接觸件的表面，盡管十分光滑平整，則仍能觀察到5～10 um的凸起部分。接觸面的接觸，并不整個接觸面的接觸，而是散布在接觸面上一些點的接觸。實際接觸面必然小于理論接觸面。根據(jù)表面光滑程度及接觸壓力大小，兩者差距有的可達幾千倍。實際接觸面可分為兩部分：一是真正金屬與金屬直接接觸部分。即金屬間無過渡電阻的接觸微點，亦稱接觸斑點，它是由接觸壓力或熱作用破壞界面膜后形成的，約占可視接觸面積的5%～10%；二是通過接觸界面污染薄膜后相互接觸的部分，如果進行了表面處理，如搪錫或鍍銀，就不會形成不導電的氧化膜，這部分接觸面的金屬粉末間的距離很小，與電子的固有波長相近，能形成隧道效應通道，大面積的隧道效應導電通道的作用也是很可觀的。

5.3 未作表面抗氧化處理的螺栓型設備接頭接觸不良的發(fā)展過程

不同金屬的膨脹效應不同。鋼制螺栓的金屬膨脹系數(shù)要比銅質(zhì)、鋁質(zhì)母線小得多，尤其是螺栓型設備接頭，在運行中隨著負荷電流及溫度的變化，其鋁或銅與鐵的膨脹和收縮程度將有差異而產(chǎn)生蠕變，也就是金屬在應力的作用下緩慢的塑性變形，蠕變的過程還與接頭處的溫度有很大的關系。實踐證明，當接頭處的運行工作溫度超過80 ℃時，接頭金屬將因過熱而膨脹，使接觸表面位置錯開，形成微小空隙而氧化。當負荷電流減小溫度降低回到原來接觸位置時，由于接觸面氧化膜的覆蓋，不可能是原安裝時金屬間的直接接觸。每次溫度變化的循環(huán)所增加的接觸電阻，將會使下一次循環(huán)的熱量增加，所增加的溫度又使接頭的工作狀況進一步變壞，因而形成惡性循環(huán)。

綜上所述，真正導電接觸面由作用在接觸件的正壓力形成的金屬間無過渡電阻的純金屬接觸微點和借助隧道效應導電金屬接觸區(qū)的部分組成。保證接觸面的機械正壓力即連接螺栓的緊固及改善接觸面表面狀態(tài)，是提高接頭通流性能降低損耗控制溫升保持接通熱穩(wěn)定的的關鍵。

6 磁極間接頭燒損的原因分析及處理

6.1 原因分析

索風營個別磁極間接頭燒損，最主要的原因是在安裝階段螺栓緊固不夠，沒有足夠的機械正壓力形成金屬間無過渡電阻的純金屬接觸微點造成的。線圈銅排截面積80×8 mm2=640 mm2，其熱穩(wěn)定載流量5×640=3200（A），磁極間接頭的可視接觸面80×60=4800 mm2，如果通過“U”連接裝配的2顆M12-8螺栓緊固形成10%的亦即480 mm2純金屬接觸微點，其熱穩(wěn)定安全載流量也有5×480=2400（A），發(fā)電機最大勵磁電流1743.7 A，完全可以滿足要求。

觀察燒損的接頭有很多凹處，這是由于接觸不良，兩個接觸件之間形成若干細微的電弧放電，電腐蝕現(xiàn)象嚴重，銅的熔點1083 ℃，有些凹點直徑十多毫米，深達幾毫米，可見接頭的局部溫度已經(jīng)很高，能量損耗很大，任由進一步發(fā)展后果不堪設想。

6.2 處理辦法

（1）所有磁極間“U”連接裝配全部撥開絕緣重新裝配，三級監(jiān)督，嚴格保證所有連接緊固螺栓的緊固力達到設計要求。

（2）燒損磁極引線的接頭，其表面氧化發(fā)黑，且坑洼不平，用細銼打磨，力求平整光滑后，電鍍搪錫。沒有燒損的磁極引線的接頭仔細去除凸點，用酒精清潔干凈。

（3）所有“U”銅排采用惰性金屬保護工藝電鍍鍍銀處理。鍍銀處理后可以有效降低低接觸面氧化而形成不導電面積，增加導電接觸面。通過實測，單個極間接頭未鍍銀處理前直流電阻在8～10μΩ之間，鍍銀處理后單個極間接頭未鍍銀處理前直流電阻在4～5μΩ之間，進一步增加導電接觸面的通流穩(wěn)定性。

7 結語

（1）電站機組安裝階段，因工期等因素，個別磁極接頭螺栓緊固力沒有達到設計要求，造成電氣回路接頭接觸性缺陷，這類缺陷和絕緣類缺陷相比較，具有隱蔽性強，發(fā)展需要一個過程等特點，常規(guī)的電氣預防性試驗很難發(fā)現(xiàn)，且危害極大，發(fā)展下去可能造成重大設備的絕緣損壞，嚴重的導致金屬導體熔斷、拉弧，產(chǎn)生巨大能量，燒毀設備。預防性試驗接觸電阻檢驗合格不等于接觸可靠，利用機組首次檢修對大電流接頭進行全面檢查是很有必要的。

（2）接頭的導電接觸面的接觸電阻主要受接觸件材料、正壓力、表面狀態(tài)、使用電壓和電流等因素影響。傳統(tǒng)的導電膏一般只在溫度+40 ℃以下及工作電壓較高的的情況使用，發(fā)電機定子線棒實測溫度60 ℃以上（轉(zhuǎn)子測不到），轉(zhuǎn)子電壓不過400 V，分散到每一個接頭就更低，也不適用。因此，導電接觸面應進行搪錫、鍍銀等保護措施，有效防止磨損和氧化，改善表面狀態(tài)，降低接觸電阻，提高導電接觸面的通流性能，減少損耗，保證接頭的長期熱穩(wěn)定性。

（3）接觸性缺陷發(fā)展緩慢，一般設備投產(chǎn)一、兩年后才逐漸暴露出來。監(jiān)視接頭溫升是發(fā)現(xiàn)接頭早期缺陷的有效辦法之一，這一辦法只適用于變壓器、封閉母線、發(fā)電機定子繞組出線、開關、刀閘等固定的接頭，不適用于旋轉(zhuǎn)運行中的發(fā)電機轉(zhuǎn)子。索風營發(fā)電廠利用歷次檢修對發(fā)電機出口直至出線站的電氣設備接頭進行了全面檢查（GIS內(nèi)部除外），有力保證了設備的穩(wěn)定運行。