英布魯水輪發(fā)電機(jī)阻尼條熔斷問題分析與處理

王艷武

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱　150040)

英布魯水輪發(fā)電機(jī)阻尼條熔斷問題分析與處理

王艷武

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150040)

摘要：英布魯水輪發(fā)電機(jī)額定容量為35.3 MVA，額定功率為30 MW，額定轉(zhuǎn)速107.1 r/min，是哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)和制造的水輪發(fā)電機(jī)，設(shè)計(jì)采用全空冷冷卻方式。2013年8月，電廠工作人員在常規(guī)停機(jī)檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)有一根阻尼條熔斷，文章重點(diǎn)介紹該發(fā)電機(jī)阻尼條熔斷問題的分析與處理。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機(jī)；阻尼條；熔斷

1問題概述

英布魯水電站裝有4臺(tái)單機(jī)容量為30 MW的發(fā)電機(jī)組。2013年8月，英布魯電廠工作人員在機(jī)組常規(guī)停機(jī)檢查時(shí),發(fā)現(xiàn)3號發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子某個(gè)磁極極靴表面存在貼附物。隨后工地傳回貼附物照片，最終確認(rèn)為銅質(zhì)阻尼條熔斷物貼附在磁極極靴表面。9月14日，英布魯電廠工作人員將有問題的3號機(jī)組已損壞的磁極拔了出來(如圖1)。從照片可以看出，有問題的阻尼條為背風(fēng)面第2個(gè)(如圖2)。經(jīng)初步測量，磁極鐵心阻尼槽口沿軸向約545 mm長度嚴(yán)重?fù)p壞，該部位阻尼槽口由原理論設(shè)計(jì)的3 mm最大擴(kuò)至15 mm，內(nèi)部部分阻尼條已經(jīng)斷裂取出。磁極鐵心該位置已嚴(yán)重破損，磁極鐵心阻尼槽口已經(jīng)裂開。

圖1　阻尼條熔斷的磁極照片

圖2　熔斷的阻尼條在磁極的位置

2問題分析

從現(xiàn)有情況分析，已損壞的阻尼條有部分出現(xiàn)熔化現(xiàn)象并擠出阻尼槽口，并且鐵心阻尼槽口已經(jīng)豁開到15 mm。能夠發(fā)生此現(xiàn)象為該部位過熱導(dǎo)致阻尼條和磁極鐵心槽口熔化并突出鐵心表面。

首先我們想到的是阻尼條材質(zhì)是否有問題，于是將已損壞的部分阻尼條殘塊帶回做材質(zhì)化學(xué)成分分析。分析結(jié)果顯示，阻尼條殘塊符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。所以排除了材質(zhì)問題導(dǎo)致該問題的可能性。

然后要看阻尼條溫度是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。為此對阻尼繞組溫度進(jìn)行了更為詳盡的計(jì)算，其中包括電機(jī)穩(wěn)態(tài)負(fù)序電流最大限制應(yīng)為其額定電流的8%時(shí)的工況、電機(jī)外部兩相短路工況及電機(jī)外部單相對地短路工況，具體計(jì)算如下：

阻尼條編號順序：俯視順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，沿旋轉(zhuǎn)方向磁極的第一根阻尼條編號為1，依次順延。

1) 穩(wěn)態(tài)負(fù)序溫升計(jì)算

根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電機(jī)穩(wěn)態(tài)負(fù)序電流最大限制應(yīng)為其額定電流的8%，據(jù)此計(jì)算的每極阻尼條溫升結(jié)果(見表1)。

表1　穩(wěn)態(tài)負(fù)序下阻尼條溫升

2) 電機(jī)外部兩相短路溫升計(jì)算

根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的短路運(yùn)行時(shí)間，計(jì)算每極阻尼條溫升結(jié)果(見表2)。

表2　瞬態(tài)負(fù)序下阻尼條溫升

3) 電機(jī)外部單相對地短路溫升計(jì)算

根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的短路運(yùn)行時(shí)間，計(jì)算每極阻尼條溫升結(jié)果(見表3)。

表3　瞬態(tài)負(fù)序下阻尼條溫升

標(biāo)準(zhǔn)JB/T 8445—1996《三相同步發(fā)電機(jī)負(fù)序電流承受能力試驗(yàn)方法》中規(guī)定了在電機(jī)長期和短時(shí)運(yùn)行時(shí)，紫銅阻尼條允許的最高溫度分別為130℃(長期運(yùn)行)和220℃(短期運(yùn)行)。從上述計(jì)算得到阻尼繞組最高溫度為95.1℃，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

此外，我們還進(jìn)行了阻尼條在鐵心內(nèi)振動(dòng)計(jì)算。阻尼條與磁極鐵心之間理論間隙為0.25 mm，在離心力和電磁力的作用下，阻尼條可能會(huì)在鐵心內(nèi)產(chǎn)生高頻振動(dòng)，電磁力為交變力，當(dāng)阻尼條離心力與電磁力同向時(shí)，阻尼條會(huì)緊貼在鐵心表面；當(dāng)阻尼條離心力與電磁力反向時(shí)，如果離心力大于電磁力，阻尼條仍會(huì)緊貼在鐵心表面。如果電磁力遠(yuǎn)大于離心力，阻尼條會(huì)在電磁力的拉扯下脫離鐵心表面，從而可能會(huì)產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象，導(dǎo)致阻尼條過熱。為此，我們對阻尼條的電磁力和離心力進(jìn)行了計(jì)算。

1) 阻尼條離心力的計(jì)算

阻尼條離心力計(jì)算公式為：

對于接受大手術(shù)的高危患者，目標(biāo)導(dǎo)向液體治療仍然是推薦的液體管理方案。一項(xiàng)薈萃分析顯示，目標(biāo)導(dǎo)向液體治療可以減少術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率和高危患者術(shù)后死亡率[37]。在另一項(xiàng)薈萃分析中，目標(biāo)導(dǎo)向液體治療減少了高?；颊咝难懿l(fā)癥發(fā)生率和心律失常發(fā)生率[38]。需要注意的是不同研究所采用的“目標(biāo)”并不完全一致，目前也沒有公認(rèn)的最好目標(biāo)，臨床實(shí)踐中仍需個(gè)體化處理。

F=mω2r

式中：m為阻尼條質(zhì)量(kg)；ω為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度(rad/s)；r為阻尼條旋轉(zhuǎn)半徑(m)。

根據(jù)公式計(jì)算得到每根阻尼條所受離心力為647 N。

2) 額定工況下阻尼條電磁力的計(jì)算

額定工況下，電機(jī)轉(zhuǎn)子一個(gè)極內(nèi)的阻尼條電磁力計(jì)算結(jié)果如表4所示。表中一個(gè)極內(nèi)的阻尼條編號順序?yàn)椋簭谋筹L(fēng)側(cè)開始，到迎風(fēng)測結(jié)束。

表4　額定工況時(shí)，阻尼條所受的電磁力

3) 負(fù)序電流占額定電流的6%工況下阻尼條電磁力的計(jì)算

根據(jù)用戶日志，該電機(jī)于2013年8月18日凌晨1點(diǎn)出現(xiàn)了不對稱運(yùn)行工況，此時(shí)電樞繞組中的負(fù)序電流達(dá)到額定電流的6%。計(jì)算電機(jī)此時(shí)阻尼條所受電磁力的結(jié)果如表5所示。

表5　負(fù)序電流達(dá)到額定電流的6%時(shí)，阻尼條所受的電磁力

4) 負(fù)序電流占額定電流的8%工況下阻尼條電磁力的計(jì)算

根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，該工況為發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)所能允許承受的最大不對稱運(yùn)行工況。電機(jī)阻尼條電磁力的計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6　負(fù)序電流達(dá)到額定電流的8%時(shí)，阻尼條所受的電磁力

以上各工況計(jì)算的阻尼條的電磁力均小于其額定轉(zhuǎn)速時(shí)受到的離心力，因此無論電磁力與離心力是否反向，阻尼條均應(yīng)靠緊在鐵心的阻尼槽口側(cè)。

為充分驗(yàn)證上述電磁力與離心力的匹配理論，我們對2臺(tái)整數(shù)槽的機(jī)組進(jìn)行了計(jì)算分析，包括大頂子山、江口這2臺(tái)機(jī)組(見表7)。

表7　承載負(fù)序電流為額定電流的12%時(shí)，各電站水輪發(fā)電機(jī)阻尼條最大受力情況

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，大頂子山電站、江口電站及英布魯電站的水輪發(fā)電機(jī)阻尼條所受電磁力幅值都與離心力比較接近。到目前為止，大頂子山、江口這兩個(gè)電站已安全運(yùn)行多年。由此可知，單純在標(biāo)準(zhǔn)允許的負(fù)序電流情況下，電磁力不足以損壞阻尼條或引起阻尼條振動(dòng)。

但也可能存在其他情況導(dǎo)致阻尼條在鐵心內(nèi)振動(dòng)。發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，阻尼條雖承受交變的電磁力，但在離心力的作用下阻尼條仍緊貼在轉(zhuǎn)子鐵心阻尼槽口側(cè)，不會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)。但發(fā)電機(jī)突然切斷電網(wǎng)時(shí)，電樞繞組電流由額定值突變?yōu)榱悖姌蟹磻?yīng)磁場消失。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，此時(shí)在阻尼繞組中會(huì)產(chǎn)生較大的感應(yīng)電流，以抵抗電機(jī)內(nèi)磁場的躍變。阻尼條電流的增加會(huì)導(dǎo)致電磁力的增大，如果阻尼條所受電磁力突然增大，并遠(yuǎn)超過離心力的大小時(shí)，那么阻尼條就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。根據(jù)以往對發(fā)電機(jī)突然短路瞬態(tài)響應(yīng)的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，阻尼繞組感應(yīng)電流的最大值及其所受電磁力的最大值一般都出現(xiàn)在故障時(shí)刻后的一到兩個(gè)電磁周期內(nèi)(50 Hz工頻的一個(gè)電磁周期為20 ms)，然后衰減，并逐漸趨于穩(wěn)定。突然切斷電網(wǎng)對發(fā)電機(jī)阻尼條的沖擊雖然沒有突然短路對阻尼條的沖擊大，但兩者的瞬態(tài)響應(yīng)都是受發(fā)電機(jī)超瞬變電抗的影響，因此在突然切斷電網(wǎng)的過程中，阻尼條所受的電磁力也是在斷電后的一到兩個(gè)電磁周期內(nèi)出現(xiàn)最大幅值，并開始衰減，逐漸減小到空載運(yùn)行工況下的阻尼條穩(wěn)態(tài)受力幅值。這個(gè)過程中，阻尼條電流產(chǎn)生的損耗并不會(huì)太大，溫升也不會(huì)太高。但由于交變電磁力大幅增加，使阻尼條產(chǎn)生較強(qiáng)的振動(dòng)。另外，由于阻尼條和轉(zhuǎn)子鐵心存在電位差，阻尼條與轉(zhuǎn)子鐵心反復(fù)出現(xiàn)放電現(xiàn)象，形成電腐蝕。一旦阻尼條出現(xiàn)放電后，若再次經(jīng)歷突然斷網(wǎng)的情況，則放電現(xiàn)象會(huì)加劇，并擴(kuò)大電腐蝕。長此以往，必然會(huì)對阻尼條造成不可修復(fù)的損害。

根據(jù)電站的實(shí)際運(yùn)行情況，存在發(fā)電機(jī)頻繁與電網(wǎng)斷開現(xiàn)象。也就是說，發(fā)電機(jī)阻尼繞組頻繁經(jīng)歷上述過程，阻尼條也反復(fù)受到電磁力沖擊及電腐蝕而可能發(fā)生損壞。

3結(jié)語

能夠?qū)е伦枘崂@組溫度升高的原因還包括以下幾個(gè)方面：

1) 發(fā)電機(jī)長時(shí)間工作在負(fù)載不對稱的工況；

2) 由于故障而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)出現(xiàn)不對稱運(yùn)行，如電機(jī)發(fā)生不對稱突然短路；

3) 受系統(tǒng)的影響使電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電樞繞組磁場轉(zhuǎn)速之間出現(xiàn)轉(zhuǎn)差，如電機(jī)的甩負(fù)荷運(yùn)行；

4) 安裝原因也能導(dǎo)致阻尼繞組溫度升高。如果實(shí)際安裝氣隙比理論氣隙小，導(dǎo)致氣隙諧波磁場強(qiáng)度變大，阻尼條溫升將增大。并且安裝過程中，問題磁極的磁極鍵打的不緊，可能會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行過程中磁極向外凸出，導(dǎo)致該磁極處實(shí)際氣隙比理論氣息小，氣隙諧波磁場強(qiáng)度變大，阻尼條溫升也將增大。

所以，英布魯水輪發(fā)電機(jī)3號發(fā)生的磁極阻尼條熔斷現(xiàn)象，可能為各種因素綜合原因?qū)е碌?。分?號機(jī)可能發(fā)生過某種極端惡劣工況，再加上安裝等問題，導(dǎo)致出現(xiàn)該問題。

4問題處理

由于可能為多種原因?qū)е碌脑搯栴}的出現(xiàn)，所以在現(xiàn)有運(yùn)行條件下，只能采取適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行處理?？梢詫γ總€(gè)磁極鐵心沿軸向在阻尼條位置打多處洋沖，提高阻尼條和磁極鐵心間的固定，減少阻尼條振動(dòng)?；蛴媚z將阻尼條和磁極鐵心之間的間隙填滿，目的是減少阻尼條與鐵心的間隙，降低阻尼條的振動(dòng)振幅，防止阻尼條與鐵心的局部放電，從而避免阻尼條和磁極鐵心局部過熱。另外，由于英布魯電站的電網(wǎng)非常不穩(wěn)定，所以不排除機(jī)組將來不會(huì)出現(xiàn)類似問題，為保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對幾臺(tái)機(jī)組進(jìn)行觀察運(yùn)行，每隔一段時(shí)間檢查磁極極靴表面，特別是槽口位置，看是否存在過熱導(dǎo)致的鐵心表面顏色變化，如有變化，先確認(rèn)是否為油污或灰塵沉積，如果是過熱導(dǎo)致的鐵心表面顏色變化，立即停機(jī)作進(jìn)一步的檢查。

王艷武，男，1980年生，工程師，長期從事水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)工作。

作者簡介：