水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)定子線棒整體更換及其試驗探討

李浩良，冉旺

(1.廣州粵能電力科技開發(fā)有限公司，廣東 廣州 510075；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)定子線棒整體更換及其試驗探討

李浩良1，冉旺2

(1.廣州粵能電力科技開發(fā)有限公司，廣東 廣州 510075；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

摘要：針對目前國內(nèi)尚未部頒有關(guān)發(fā)電機(jī)現(xiàn)場更換定子線棒時所需要做的試驗項目及其評定標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)程或者規(guī)范的問題，以某電廠600 MW水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)更換定子繞組整體線棒的工程為例，重點(diǎn)介紹定子繞組現(xiàn)場更換線棒的試驗項目、方法及技術(shù)要求。對線棒更換過程中出現(xiàn)的問題提出解決方法，大大提高整機(jī)的運(yùn)行狀況和使用壽命，具有較大的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)；定子繞組線棒；整體更換；試驗項目

某電廠2號發(fā)電機(jī)于2014年8月25日發(fā)生故障跳機(jī)。故障檢查中，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)勵磁側(cè)11點(diǎn)和12點(diǎn)鐘方向4個水電接頭受損，其中上層31槽和32槽線棒的水盒接頭斷裂，下層15槽線棒及V1環(huán)形引線兩個水盒也被波及，4個接頭手包絕緣損壞，發(fā)電機(jī)內(nèi)部進(jìn)水。由于機(jī)組處于非計劃停運(yùn)狀態(tài)，決定只更換25至32槽共8根上層線棒。2號發(fā)電機(jī)曾于2012年3月28日因2號勵磁變壓器高壓側(cè)發(fā)生短路故障，造成個別定子線棒主絕緣損壞，之后更換了損壞的定子線棒。2013年5月大修期間，又發(fā)現(xiàn)2號發(fā)電機(jī)定子三相繞組汽輪機(jī)勵磁兩側(cè)端部存在嚴(yán)重程度不同的電暈放電缺陷?？紤]到2號發(fā)電機(jī)曾發(fā)生過幾次故障以及潛在的絕緣缺陷等問題，為了保證發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行，電廠業(yè)主和各方面專家決定于2015年1月3日對2號發(fā)電機(jī)進(jìn)行B級檢修，更換定子繞組上、下層全部線棒。

12號發(fā)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)

2號發(fā)電機(jī)是由哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司制造的QFSN-600-2YHG型水-氫-氫冷汽輪發(fā)電機(jī)，其基本技術(shù)數(shù)據(jù)見表1。

表1　2號發(fā)電機(jī)(出廠編號為3-60478)的技術(shù)參數(shù)

注：定子繞組接法為YY型。

現(xiàn)場更換發(fā)電機(jī)定子線棒所需要進(jìn)行的試驗項目及其評定標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)還沒有統(tǒng)一規(guī)程或者規(guī)范，而現(xiàn)有的一些預(yù)防性試驗規(guī)程和交接試驗規(guī)程對現(xiàn)場更換定子線棒也沒有針對性，而且所做規(guī)定也不夠全面。在現(xiàn)場更換發(fā)電機(jī)定子線棒時，技術(shù)人員難以直接找到所需要做的試驗項目及其評定標(biāo)準(zhǔn)[1]。通過分析多個電廠現(xiàn)場更換定子線棒的工作經(jīng)驗及查閱大量資料，決定將2號發(fā)電機(jī)定子繞組更換線棒的試驗項目分為新線棒下線前試驗、新線棒下線后試驗及定子繞組修復(fù)后預(yù)防性試驗3個部分。

定子線棒是發(fā)電機(jī)的核心部件，其質(zhì)量的好壞直接影響整機(jī)的運(yùn)行狀況和使用壽命，對單根新線棒絕緣性能的要求非常苛刻。經(jīng)過各方專家的探討，現(xiàn)場通過多種不同的試驗方法，測量出線棒的多種試驗數(shù)據(jù)，確保新線棒下線前絕緣性能良好。

2新線棒下線前試驗項目

2.1新線棒交接試驗

2.1.1新線棒對地絕緣電阻測試

對新線棒開箱檢查，在確認(rèn)了新線棒不存在變形、絕緣破損等缺陷后，用2 500 V兆歐表測量線棒對地絕緣電阻；要求各線棒絕緣電阻值與出廠測量值接近。

2.1.2新線棒介質(zhì)損耗試驗

使用AI-6000D型自動抗干擾精密介質(zhì)損耗測試儀的正接線法測量線棒的介質(zhì)損耗因數(shù)及電容量。單根新線棒電壓為0.4Ur(8 kV，Ur為額定電壓，下同)和0.2Ur(4 kV)下的Δtgδ應(yīng)不大于2.5%，且電容量與出廠試驗值相接近。

2.1.3新線棒端部工頻交流耐壓試驗

定子線棒的主絕緣材是環(huán)氧云母，而環(huán)氧云母的電導(dǎo)率很低(可忽略不計)。發(fā)電機(jī)端部的半導(dǎo)體防暈漆是絕緣的一部分，端部在交流電壓作用下不僅有容性電流流過，而且還有阻性電流，線棒在定子膛內(nèi)外的情況也不同[2-3]。為了更直接發(fā)現(xiàn)線棒潛在的絕緣缺陷，經(jīng)探討分析，單根線棒的工頻交流耐壓試驗應(yīng)分為槽部和端部兩部分進(jìn)行，試驗電壓值不同。線棒兩側(cè)端部用鋁箔緊貼，然后接地并進(jìn)行端部工頻交流耐壓試驗，試驗電壓為1.5Ur，即30.0 kV，要求在1 min內(nèi)無閃絡(luò)擊穿、放電、爬電等異?，F(xiàn)象。

2.1.4新線棒電暈檢測試驗

定子線棒在搬運(yùn)過程中容易損壞表面防暈漆，而且線棒在定子膛內(nèi)組合成線圈時更容易起暈，所以對單根線棒在膛外的防暈效果要求非?？量蘙4]。單根線棒的電暈檢測試驗電壓為1.5Ur，即30.0 kV,要求在試驗過程中不起暈，一起進(jìn)行電暈檢測試驗和線棒槽部交流耐壓試驗。

2.1.5新線棒槽部工頻交流耐壓試驗

線棒槽部用鋁箔緊貼，然后接地，進(jìn)行槽部工頻交流耐壓試驗，試驗電壓為(2.75Ur+2.5 kV)，即57.5 kV，要求在1 min內(nèi)應(yīng)無閃絡(luò)擊穿、放電、爬電等異常現(xiàn)象。

2.1.6新線棒水壓試驗

如果定子線棒的機(jī)械強(qiáng)度不夠或密封不嚴(yán)，發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中就會出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，造成線圈的絕緣降低，從而發(fā)生匝間短路，甚至接地、相間短路等故障。因此，即使新線棒的絕緣性能試驗合格，還必須進(jìn)行水壓試驗，線棒水壓壓力為1.5 MPa，持續(xù)2 h。在水壓試驗過程中，壓力表應(yīng)無明顯變化，引水管接頭無漏水現(xiàn)象。

2.2新線棒處理后的絕緣試驗

2.2.1新線棒處理后的電暈檢測試驗

在新線棒電暈檢測試驗過程中，共發(fā)現(xiàn)10條線棒的端部存在片狀或帶狀的不合格電暈。電暈現(xiàn)象如圖1所示，具體試驗結(jié)果見表2。

圖1　定子新線棒電暈檢測試驗的紫外成像

經(jīng)探討和分析，在發(fā)生電暈的線棒端部重新涂刷由樹脂和碳化硅組成的低電阻防暈層，晾干后再做電暈檢測試驗，試驗合格后才可以驗收。

表2新線棒電暈檢測試驗結(jié)果

新線棒編號起暈電壓/kV熄滅電壓/kV1S811620.016.05S311621.015.05S811617.014.06S311320.017.07S316723.018.01S711524.020.06S411620.018.05S611519.016.04S311525.020.03X511520.015.0

2.2.2新線棒處理后的端部工頻交流耐壓試驗

單根線棒在進(jìn)行端部工頻耐壓試驗后進(jìn)行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)共有3條線棒的低電阻防暈層出現(xiàn)小面積放電碳化痕跡，這是由于線棒端部局部集中的電場放電所致。當(dāng)表面放電發(fā)展到一定程度，線棒的表面電流增大，表面局部溫度升高，隨著施加試驗電壓時間的逐漸延長，端部防暈層在電場的作用下逐漸老化，最終燒傷，出現(xiàn)碳化痕跡，但并沒有擊穿線棒主絕緣。規(guī)范規(guī)定，工頻交流耐壓試驗過程不允許定子線棒出現(xiàn)放電或放電痕跡現(xiàn)象，所以必須對防暈層出現(xiàn)碳化痕跡的線棒進(jìn)行處理，待具備試驗條件后再進(jìn)行工頻交流耐壓試驗。廠家在避免損傷線棒原防暈層的前提下用利刀刮去線棒表面的放電碳化痕跡，然后用蘸有酒精的抹布將線棒的污物清理干凈，再涂刷環(huán)氧樹膠，晾干后再涂上低電阻防暈層，最后做耐壓試驗?？梢?，現(xiàn)場加強(qiáng)線棒的外觀檢查是預(yù)防發(fā)電機(jī)定子繞組在運(yùn)行過程中發(fā)生故障的有效手段。

2.3新線棒下線前定子鐵心損耗及溫升試驗(以下簡稱“鐵損試驗”)

定子鐵心是發(fā)電機(jī)非常關(guān)鍵的部件，它不僅起著集中氣隙磁密、提供磁回路的作用，還起著固定定子繞組的作用。因此，定子鐵心質(zhì)量的好壞直接影響到定子繞組的好壞，進(jìn)而影響到整臺發(fā)電機(jī)的安全可靠運(yùn)行。鐵心故障一旦發(fā)生，不但會造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，而且現(xiàn)場不便處理，維修工作量大，其工藝水平也難以與在制造廠時相等同。為了檢查在拆卸原定子線棒的過程中是否對鐵心絕緣造成損傷，以便及時處理[5]。經(jīng)探討，新線棒下線前必須做鐵損試驗。鐵損試驗的勵磁磁通密度為1 T(或1.4 T)時，持續(xù)試驗時間為90 min(45 min)，折算至1.0 T下鐵心齒部的溫升不應(yīng)超過25 K，溫差不應(yīng)超過15 K，單位鐵損不得超過該型號硅鋼片的允許值(一般在1 T時為2.5 W/kg)。2號發(fā)電機(jī)鐵損試驗的勵磁磁通密度為1 T，現(xiàn)場試驗接線如圖2所示。

S—開關(guān)；T—調(diào)壓器；Ttest—試驗變壓器；C—補(bǔ)償電容器組；CT—電流互感器，current transformer的縮寫；PT—電壓互感器potential transformer的縮寫；V—電壓表；Wl—勵磁繞組；W2—測量繞組；G—被試發(fā)電機(jī)鐵心。圖2　發(fā)電機(jī)定子鐵損的試驗接線

鐵損試驗數(shù)據(jù)見表3。

表3發(fā)電機(jī)定子鐵心損耗及溫升試驗結(jié)果

時間/min測量電壓U2/V勵磁電壓U1/V勵磁電流I/A損耗P/kW0627.91881.9189.5159.315626.91880.7189.7158.730627.41882.2190.2159.045627.01881.0190.6159.060626.61879.8190.0159.375626.71880.1191.2159.390627.21881.6192.9159.9

試驗第90 min時，實(shí)際磁通密度為1 T，鐵齒整體溫度為27.9 ℃，最高溫度為31.4 ℃，最低溫度為24.8 ℃，如圖3所示。

圖3　試驗結(jié)束前定子膛內(nèi)鐵心表面的紅外熱成像

鐵心齒部起始溫度為19.8 ℃，可算出鐵齒的最高溫升為11.6 K，最大溫差為6.6 K，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。鐵心單位損耗

(1)

式中：P1T為換算到1.0T磁通密度下，持續(xù)試驗90min后的鐵損值；m為定子鐵心質(zhì)量。2號發(fā)電機(jī)鐵心質(zhì)量為146 283.5kg，由式(1)可算出鐵心單位損耗值為1.09W/kg，該值小于2.5W/kg的標(biāo)準(zhǔn)要求，鐵損試驗結(jié)果合格。

3定子新線棒下線后試驗項目

3.1下層線棒下線后交流耐壓試驗

對定子鐵心進(jìn)行徹底清掃，檢查，排除異常，并噴上一層半導(dǎo)體低阻漆，為線棒下線做好準(zhǔn)備。先在槽底墊好槽底墊條(半導(dǎo)體玻璃布板)和熱固性適形墊條(半導(dǎo)體滌綸氈)，對準(zhǔn)鐵心相對位置，用橡皮錘均勻?qū)⒕€棒打入槽底。為了使線棒表面良好接地，防止槽內(nèi)電腐蝕，在側(cè)面用半導(dǎo)體板緊塞線棒，線棒兩端部用浸過溫室固化環(huán)氧膠的玻璃絲帶綁牢在支持大錐環(huán)上。墊好端部墊塊，用浸過膠的玻璃絲帶將相鄰線棒的端部綁牢。各綁扎處表面涂刷室溫固化環(huán)氧膠，固化后可緊縮綁扎線[6-9]。下層線棒下線完成后，為了檢查下線過程中是否對線棒的主絕緣造成損壞，對其進(jìn)行工頻交流耐壓試驗，試驗接線如圖4所示。試驗電壓為0.75(2.5Ur+2.0kV)，即39kV。試驗結(jié)果見表4。

T—調(diào)壓器；Ttest—試驗變壓器；R—限流電阻；CT—電流互感器；A—電流表； L—可調(diào)電抗器；V0—交直流分壓器；G—被試發(fā)電機(jī)及其U、V、W三定子下層新線棒。圖4　定子下層新線棒交流耐壓試驗接線

表4定子下層新線棒交流耐壓試驗結(jié)果

試品名稱試驗電壓/kV試驗電流/A試驗時間/min試驗結(jié)果U→V、W391.201合格V→U、W391.201合格W→U、V391.201合格

3.2上層線棒下線后鐵損試驗及層間支撐管灌脂后固化

用干燥的壓縮空氣吹凈下層線棒，每槽分別布置兩支電阻測溫元件，其中一支備用，墊下層間墊條和適形墊條，預(yù)埋端部層間支撐管。按下層線棒的下線工藝要求，將上層線棒打入槽內(nèi)，檢查線棒與槽的間隙，用半導(dǎo)體板塞緊上層線棒。上、下層線棒用浸過膠的玻璃絲帶綁牢。預(yù)裝端部內(nèi)撐環(huán)和內(nèi)外可調(diào)綁環(huán)。為檢查線棒下線過程是否對鐵心絕緣造成損傷，上層線棒下線后，對鐵心進(jìn)行鐵損試驗。

鐵損試驗合格后，進(jìn)行定子端部層間支撐管灌注樹脂和加熱固化工序。在加熱固化過程中，要求錐環(huán)平均溫度和定子鐵心平均溫度控制在一定范圍內(nèi)，以防止錐環(huán)對鐵心徑向熱膨脹過大。經(jīng)探討，鐵心采用鐵損試驗設(shè)備感應(yīng)加熱，端部采用熱風(fēng)機(jī)吹熱風(fēng)加熱。整個升溫過程，要求鐵心升溫至(90±5) ℃，端部升溫至(85±5) ℃，并保溫48h。鐵心和端部的保溫，實(shí)行連續(xù)三班制監(jiān)控[10]。

3.3上層線棒下線后的交流耐壓試驗

樹脂降溫過程結(jié)束后，敲緊定子槽楔，鎖緊線棒，裝鐵心擋風(fēng)隔板。所有測溫元件可靠接地后，將上、下層線棒一起進(jìn)行工頻交流耐壓試驗。試驗電壓為0.75(2.5Ur+1.0kV)，即38.25kV；要求在1min內(nèi)無閃絡(luò)擊穿、放電、爬電等異?，F(xiàn)象。

3.4定子三相繞組直流電阻測量

上、下層線棒的水電接頭及環(huán)形引線接頭，由多股實(shí)心銅線通過中頻加熱釬焊形成電聯(lián)接，每只都要通過超聲波探傷檢查。為了檢查定子線棒在安裝過程中是否存在連接錯誤及導(dǎo)線斷股等缺陷，在包水電接頭及出線的主絕緣前，需要測量定子三相直流電阻，要求相互間差值不得大于最小值的1.5%。

3.5定子繞組端部焊接頭松動缺陷的大電流紅外檢測試驗

在定子線圈各釬焊接頭焊接完畢后，為了檢查焊接頭是否存在虛焊、開焊等接觸不良缺陷，經(jīng)探討，對2號發(fā)電機(jī)包主絕緣前的焊接頭松動缺陷進(jìn)行大電流紅外檢測試驗。將發(fā)電機(jī)定子繞組的1相與高頻開關(guān)電源串接成閉合回路，讓串聯(lián)試驗回路通過2 000A的電流，并持續(xù)45min，用紅外成像儀檢查各個水電接頭之間的溫度分布是否均勻。標(biāo)準(zhǔn)要求在試驗過程中各個水電接頭之間溫度不應(yīng)存在明顯的差異，未包絕緣的焊接頭一般不應(yīng)超過5 ℃。由表5的試驗數(shù)據(jù)得，各相端部焊接頭位置溫差均小于5 ℃，試驗結(jié)果合格。焊接頭紅外檢測情況如圖5所示。

表5焊接頭松動缺陷大電紅外流檢測結(jié)果

相別直流電流/A試驗時間/min最低溫度/℃最高溫度/℃最大溫差/℃U20004518.120.62.5V20004518.621.22.6W20004517.519.01.5

圖5　W相定子繞組勵側(cè)端部的局部焊接頭的紅外熱成像

4定子繞組修復(fù)完成后預(yù)防性試驗項目

定子繞組的后續(xù)修復(fù)工作如下：

a)裝配定子繞組端部可調(diào)綁環(huán)及拉緊楔塊；

b)裝配絕緣引水管和卡箍，做整機(jī)水壓試驗；

c)選用F級環(huán)氧云母帶包裹端部水電接頭、過渡引線并聯(lián)塊及套管上方出線的主絕緣；

d)噴涂發(fā)電機(jī)表面覆蓋漆等。

以上修復(fù)工作完成后，定子繞組整體預(yù)防性試驗項目見表6。

在定子繞組端部手包絕緣直流泄漏電流試驗過程中，勵側(cè)第17槽手包絕緣泄漏電流達(dá)到37μA，超過了標(biāo)準(zhǔn)要求。制造廠認(rèn)為，第17槽手包絕緣的泄漏電流并不是嚴(yán)重超標(biāo)，沒必要拆除整個手包絕緣，只需要找出泄漏過大的具體位置，重新綁扎即可。經(jīng)探討分析，試驗人員把第17槽的手包絕緣分為上、中 、下三片區(qū)域進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)上部位手包絕緣的泄漏電流在達(dá)到35μA，而中部和下部均小于1μA，即17槽手包絕緣的上部位內(nèi)部存在著絕緣缺陷。處理后，再對第17槽手包絕緣進(jìn)行泄漏電流試驗，測得試驗電流為2.5μA，結(jié)果合格。通過手包絕緣泄漏直流電流試驗，及時查找出發(fā)電機(jī)絕緣的薄弱環(huán)節(jié)，使發(fā)電機(jī)得到及時修復(fù)，避免了潛在事故的發(fā)生。

表6　定子繞組預(yù)防性試驗項目

經(jīng)過42天的緊張工作，2號發(fā)電機(jī)于2015年2月13日并網(wǎng)成功，圓滿完成了B級檢修。

5結(jié)束語

水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)現(xiàn)場更換定子線棒的工序流程復(fù)雜，工藝水平要求高。全面、準(zhǔn)確地掌握其安裝工藝和技術(shù)要求不僅對整個定子繞組的安裝質(zhì)量至關(guān)重要，還有利于現(xiàn)場技術(shù)人員高效率完成線棒安裝工程，避免工期延長所帶來的經(jīng)濟(jì)損失。本文從更換定子線棒的工序流程出發(fā)，探討1套相對完整的試驗項目及技術(shù)要求。通過一系列的驗收試驗，在2號發(fā)電機(jī)更換線棒過程中查找出多處絕緣隱患和工藝缺陷，并得到及時處理；一年以來的運(yùn)行狀態(tài)良好，各運(yùn)行工況參數(shù)都在期望值范圍內(nèi)，得到了電廠業(yè)主的好評。本文所介紹的試驗項目及其技術(shù)要求是行之有效的，對同類型機(jī)組現(xiàn)場更換定子線棒有著重大參考意義，同時為制定發(fā)電機(jī)現(xiàn)場更換定子線棒的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

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LI Haoliang1, RAN Wang2

(1. Guangzhou Yueneng Power Technology Development Co., Ltd., Guangzhou，Guangdong 510075,China; 2. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510080, China)

Abstract：In allusion to the problem that there are no relevant rules or regulations about test items and its evaluation standards for replacing stator bar on the scene for the generator in domestic at present, this paper introduces test items of replacement of stator bar on the scene and relevant methods and technical requirements by taking one project of replacing overall bar of stator winding of 600 MW internal water cooling steam turbine generator of some power plant for an example. It presents solutions to problems in the process of replacing the bar which are useful to greatly improve running state of the overall unit and its service life.

Key words：internal water cooling generator; stator winding bar; overall replacement; test item

收稿日期：2015-11-28修回日期：2016-01-28

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.05.005

中圖分類號：TM307

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1007-290X(2016)05-0020-06

作者簡介：

李浩良(1990)，男，廣東惠州人。助理工程師，工學(xué)學(xué)士，從事發(fā)電機(jī)高壓試驗工作。

冉旺(1985)，男，四川遂寧人。工程師，工學(xué)博士，從事發(fā)電機(jī)試驗分析及故障診斷工作。

(編輯王夏慧)