水輪發(fā)電機(jī)定子絕緣盒開裂流膠缺陷分析及處理

韓 波，李香華

（中國長(zhǎng)江電力股份有限公司，宜昌 443002）

水輪發(fā)電機(jī)定子絕緣盒開裂流膠缺陷分析及處理

韓 波，李香華

（中國長(zhǎng)江電力股份有限公司，宜昌 443002）

本文介紹了某大型水電站發(fā)電機(jī)定子絕緣盒開裂流膠缺陷情況，從絕緣盒和填充膠的材質(zhì)、性能及運(yùn)行工況等方面對(duì)缺陷原因進(jìn)行了分析，并提出了有效檢測(cè)及處理措施。

絕緣盒；流膠；開裂

0 前言

國內(nèi)某水電站，裝有我國20世紀(jì)80年代初期自行設(shè)計(jì)、自行生產(chǎn)的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，1981年7月第一臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，至今已運(yùn)行30多年。由于充沛的來水量，使得其機(jī)組長(zhǎng)期處于滿負(fù)荷工況下運(yùn)行，平均每年的運(yùn)行小時(shí)數(shù)大于6000小時(shí)，機(jī)組及其部件出現(xiàn)不同程度的老化現(xiàn)象。近年來，多臺(tái)機(jī)組發(fā)電機(jī)定子絕緣盒出現(xiàn)流膠、開裂現(xiàn)象，且現(xiàn)象相對(duì)普遍，成為影響發(fā)電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要隱患。

1 絕緣盒流膠開裂缺陷現(xiàn)象描述

電站機(jī)組發(fā)電機(jī)冷卻方式為全空冷，采用無風(fēng)扇雙路徑向通風(fēng)系統(tǒng)，定子為六瓣組裝結(jié)構(gòu)，定子繞組并頭套采用錫焊工藝，絕緣盒材質(zhì)為酚醛玻璃纖維壓塑料4330-1，內(nèi)部灌注796環(huán)氧樹脂膠。近年來，發(fā)電機(jī)內(nèi)部檢查發(fā)現(xiàn)多臺(tái)機(jī)組存在不同程度的絕緣盒流膠、開裂現(xiàn)象，其中1981年至1983年投運(yùn)的機(jī)組情況較為嚴(yán)重。

1.1 絕緣盒開裂現(xiàn)象

對(duì)開裂現(xiàn)象嚴(yán)重的絕緣盒剖開后進(jìn)行檢查，絕緣填充膠未發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象，填充膠性質(zhì)未見明顯變化，絕緣盒整體無松動(dòng)、無過熱跡象，將填充膠清理干凈后檢查，發(fā)現(xiàn)定子接頭無過熱及放電跡象，定子接頭直流電阻測(cè)試數(shù)據(jù)正常。

圖1 開裂嚴(yán)重的絕緣盒外觀及剖開檢查照片

1.2 絕緣盒流膠現(xiàn)象

對(duì)流膠現(xiàn)象嚴(yán)重的絕緣盒剖開后進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)絕緣盒填充膠存在蜂窩狀孔洞，填充膠顏色異常，有分層現(xiàn)象，且未見明顯石英砂成分。將填充膠清理干凈后檢查，發(fā)現(xiàn)定子接頭無過熱及放電跡象，定子接頭直流電阻測(cè)試數(shù)據(jù)正常。

2 絕緣盒開裂流膠缺陷原因分析

2.1 絕緣盒開裂原因分析

絕緣盒材質(zhì)為酚醛玻璃纖維壓塑料 4330-1，4330-1酚醛玻璃纖維壓塑料是以聚乙烯醇縮丁醛改性的苯酚、苯胺、甲醛樹脂為粘接劑，以短切無堿玻璃纖維增強(qiáng)的熱固性壓塑料，其機(jī)械強(qiáng)度較高，絕緣性能良好，具有優(yōu)良的耐濕、耐溫和防腐性能。影響酚醛玻璃纖維壓塑料4330-1性能穩(wěn)定性的重要反應(yīng)是氧化降解反應(yīng)，當(dāng)材料長(zhǎng)時(shí)間受到熱和空氣的氧化作用，會(huì)引起材料交聯(lián)、硬化、收縮和應(yīng)力裂縫，氧化降解反應(yīng)至一定程度可使絕緣盒開裂，外觀上也會(huì)發(fā)生顯著變化，顏色加深、光澤減退、表層疏松，其強(qiáng)度也將下降。對(duì)開裂嚴(yán)重的絕緣盒剖開后檢查情況看，絕緣盒內(nèi)表面存在顏色加深等現(xiàn)象，可以判定開裂絕緣盒發(fā)生了一定程度的氧化降解反應(yīng)。

圖2 流膠嚴(yán)重的絕緣盒外觀及剖開照片

圖3 開裂絕緣盒剖開后內(nèi)部氧化降解照片

從開裂嚴(yán)重的絕緣盒剖開后檢查情況看，絕緣盒兩側(cè)與并頭套間距不一致，環(huán)氧填充膠厚度嚴(yán)重不均勻，使得絕緣盒在長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)溫度不均勻的情況，溫度較高部位氧化降解現(xiàn)象將會(huì)更加突出；同時(shí)，絕緣盒在運(yùn)行溫度與室溫之間熱脹冷縮過程中，絕緣盒所受應(yīng)力也會(huì)存在不均勻的現(xiàn)象，局部所受應(yīng)力較大且絕緣盒較薄弱部位將更易出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。

綜上分析，絕緣盒開裂缺陷是由材料氧化降解、安裝工藝控制不到位及運(yùn)行年限久遠(yuǎn)等諸多因素引起。

2.2 絕緣盒流膠原因分析

絕緣填充膠796由環(huán)氧樹脂、固化劑、填料等組成的流動(dòng)性較好的混合物，澆注后于室溫下固化，其材料、配比及特性如表1所示。

環(huán)氧樹脂6101為低相對(duì)分子質(zhì)量的雙酚A型環(huán)氧樹脂，其軟化點(diǎn)為12～20℃，根據(jù)不同的固化劑，環(huán)氧樹脂固化物有不同的耐熱性，環(huán)氧樹脂6101加入固化劑593后固化物熱變形溫度為80～105 ℃。如果環(huán)氧樹脂與固化劑混合不均勻，或配比不合適，都將使環(huán)氧樹脂和固化劑反應(yīng)不完全，從而造成部分環(huán)氧樹脂未完全固化，其軟化溫度將更低。

表1 絕緣填充膠796配比及特性

發(fā)電機(jī)采用無風(fēng)扇雙路徑向通風(fēng)系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，但也存在定子鐵心、定子線棒的軸向溫度分布不均勻的問題，由于在定子端部往往存在一定的通風(fēng)不良區(qū)，致使定子端部溫度相對(duì)較高。對(duì)機(jī)組定子線棒進(jìn)行溫升分布試驗(yàn)，試驗(yàn)證實(shí)線棒下端部溫度比中、上部普遍要高，從而在機(jī)組運(yùn)行中，定子端部局部溫度可能達(dá)到填充膠軟化溫度，出現(xiàn)變形流膠現(xiàn)象，絕緣盒流膠位置多分布在定子下端，也與線棒溫度分析相吻合。

由于發(fā)電機(jī)定子為六瓣現(xiàn)場(chǎng)組裝結(jié)構(gòu)，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)絕緣盒流膠位置進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)絕緣盒流膠現(xiàn)象大多分布在定子合縫槽位置，鑒于定子合縫槽位置絕緣盒為現(xiàn)場(chǎng)安裝，其余絕緣盒為出廠前統(tǒng)一安裝，由此可分析得出，絕緣盒開裂與現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組安裝時(shí)施工工藝有一定關(guān)系。進(jìn)一步對(duì)流膠嚴(yán)重的絕緣盒填充膠進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，填充膠放入丙酮后有溶解現(xiàn)象，可以判定填充膠固化不完全，由此可以分析，機(jī)組絕緣盒安裝過程中填充膠攪拌不均勻、不徹底，或者組份比例不合適，造成填充物固化不完全，也是出現(xiàn)絕緣盒流膠缺陷的一個(gè)重要原因。

綜上分析，絕緣盒流膠缺陷是由環(huán)氧填充膠耐熱性不高，且安裝工藝控制不到位致使未完全固化等原因造成。

3 絕緣盒開裂流膠缺陷檢查及處理

3.1 外觀檢查

對(duì)發(fā)電機(jī)端部進(jìn)行全面檢查，包括檢查線棒端部有無損傷，線棒端部污染情況，端頭絕緣盒是否有裂紋以及灌注的環(huán)氧膠是否存在軟化流出現(xiàn)象，用小錘敲擊端頭絕緣盒有無發(fā)空脫殼現(xiàn)象等，從而判斷絕緣盒開裂流膠缺陷嚴(yán)重程度。

3.2 絕緣盒流膠開裂缺陷處理

根據(jù)現(xiàn)有絕緣盒缺陷情況，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，模擬絕緣盒缺陷進(jìn)行試驗(yàn)。鏟開某機(jī)組185槽絕緣盒但未傷及內(nèi)部填充絕緣，以模擬絕緣盒開裂但內(nèi)部填充絕緣未貫穿的情況；鏟開某機(jī)組209槽絕緣盒，并用鉆頭在開裂處鉆開內(nèi)部填充絕緣直至露出并頭套，以模擬絕緣盒開裂且內(nèi)部填充絕緣貫穿情況；鏟開某機(jī)組215槽絕緣盒露出并頭套，然后用云母帶半疊繞包扎一層，以模擬絕緣盒開裂且內(nèi)部填充絕緣貫穿，采取云母帶半疊繞包扎處理后的情況?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)見表2。

表2 絕緣盒開裂缺陷試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)

通過表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)在絕緣盒輕微開裂而內(nèi)部填充膠未損傷的情況下，額定電壓下端部局部泄漏電流數(shù)據(jù)不能測(cè)到，說明機(jī)組在絕緣盒輕微開裂而內(nèi)部填充膠完好的情況下運(yùn)行時(shí)，絕緣盒開裂處外移電位較小，對(duì)繞組整體絕緣性能影響不大，但在1.5倍和2倍額定電壓下，電位外移較明顯；絕緣盒貫穿性開裂的情況下，額定電壓下局部泄漏電流值達(dá)到10μA，折合成電壓為1000V，在高于一倍額定電壓下泄漏電流值快速增長(zhǎng)，說明絕緣盒內(nèi)部填充絕緣貫穿性缺陷對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的危害較大，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行處理；絕緣盒貫穿性開裂經(jīng)包扎云母帶處理，對(duì)減小缺陷處局部泄漏電流，阻止電壓外移效果明顯。

通過上述分析，對(duì)于開裂嚴(yán)重的絕緣盒，及時(shí)進(jìn)行更換絕緣盒處理，對(duì)表面輕微開裂的絕緣盒，考慮到絕緣盒老化開裂現(xiàn)象隨著運(yùn)行年限增加將逐步惡化，用浸有環(huán)氧膠的云母帶和玻璃絲帶包扎，防止缺陷進(jìn)一步惡化。

對(duì)開裂流膠嚴(yán)重的絕緣盒解剖后，采取大電流壓降法檢測(cè)線棒端部接頭焊接狀況，測(cè)量結(jié)果判定線棒端部接頭焊接部位均不存在缺陷，因此，輕微流膠對(duì)填充膠絕緣性能影響不大，為防止缺陷進(jìn)一步惡化，采用局部刷膠封堵方式進(jìn)行處理；絕緣盒流膠嚴(yán)重會(huì)使得絕緣性能降低，同時(shí)運(yùn)行中可能出現(xiàn)因絕緣膠軟化導(dǎo)致絕緣盒脫離事故，及時(shí)進(jìn)行了更換新絕緣盒并重新灌注耐熱型填充膠處理。

更換絕緣盒時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制安裝工藝，絕緣盒與并頭塊之間的前、后、左、右間隙調(diào)節(jié)均勻恰當(dāng)，保證填充膠能均勻地流入絕緣盒，盡量消除內(nèi)部氣隙，同時(shí)將填充膠充分?jǐn)嚢杈鶆颍_保完全固化。

鑒于絕緣盒開裂缺陷與絕緣材料性能、安裝工藝及運(yùn)行年限久遠(yuǎn)等因素有關(guān)，為徹底消除該缺陷，需對(duì)絕緣盒及填充膠進(jìn)行更新改造。利用機(jī)組改造增容機(jī)會(huì)，對(duì)絕緣盒及填充膠進(jìn)行了優(yōu)化改造，絕緣盒采取環(huán)氧層壓玻璃布板材質(zhì)，填充膠采取AB組分耐高溫環(huán)氧樹脂膠，其常溫固化可耐溫150℃至220℃，瞬間可耐溫280℃以上高溫，具有較好的耐熱性能與機(jī)械性能及較高的反應(yīng)活性。通過上述改造，從根本上消除了絕緣盒開裂及填充膠軟化流膠的缺陷。

4 結(jié)語

文中所述電站水輪發(fā)電機(jī)組絕緣盒開裂、流膠缺陷，檢查分析與絕緣材料性能、安裝工藝及運(yùn)行年限久遠(yuǎn)等因素有關(guān)，通過嚴(yán)密跟蹤檢查，對(duì)嚴(yán)重者進(jìn)行了及時(shí)處理，確保了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)利用機(jī)組改造增容契機(jī)對(duì)絕緣盒及填充膠進(jìn)行更新改造，對(duì)其他水電站具有較好的借鑒意義。

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審稿人：滿宇光

Analysis and Treatment for Filler Leakage and Cracking of the Insulating Box at the Hydrogenerator Stator’s Ends

HAN Bo, LI Xianghua
(China Yangtze Power Corporation Ltd., Yichang 443002, China)

This paper describes the defect of filler leakage and cracking of the insulating box at the generator stator’s ends, analyze the cause of the defect from the material, performance and operating conditions of the insulating box and the filler，and describes the measures of detection and treatment.

insulating box; filler leakage; crack

TM312

A

1000-3983(2014)03-0050-04

2013-05-23

韓波（1964-），2007年畢業(yè)于華中科技大學(xué)電氣工程專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事水電站檢修技術(shù)與管理工作，高級(jí)工程師。