發(fā)電機定子線棒絕緣擊穿原因分析及處理

楊 東,熊婧江

(1.國電大渡河大崗山水電開發(fā)有限公司,四川 雅安 625000; 2.國電大渡河流域梯級電站集控中心,四川 成都 610041)

發(fā)電機定子線棒絕緣擊穿原因分析及處理

楊 東1,熊婧江2

(1.國電大渡河大崗山水電開發(fā)有限公司,四川 雅安 625000; 2.國電大渡河流域梯級電站集控中心,四川 成都 610041)

主要介紹某水電站發(fā)電機組的基本結(jié)構(gòu),分析了某混流式發(fā)電機組定子線棒主絕緣擊穿的原因,介紹了本電站所采取的處理方法,并提出建議,為同類型機組的電站在缺陷處理、安全運行管理、檢修維護上提供借鑒和參考。

混流式發(fā)電機組;定子線棒;絕緣

0 前言

某水電站發(fā)電機組為混流式發(fā)電機組,總裝機容量為4×650 MW,發(fā)電機型號為SF650-48/14600,額定電流23 165 A,額定電壓18 kV。定子線棒為雙層布置,為條式疊繞組,Y形連接,8支路并聯(lián),共1 152根線棒,所有的線棒接頭連接采用銀銅焊,繞組絕緣為F級。該水電站4號機組于2015年9月投入商業(yè)運行,2016年3月停機檢修,試驗人員在進行修前試驗時發(fā)現(xiàn)機組定子線圈A相試驗不合格,發(fā)生放電現(xiàn)象。

1 發(fā)電機結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 定子鐵心

發(fā)電機定子鐵心采用高導磁、低損耗、無時效進口硅鋼片50M250沖制而成,全圓由48片組成。鐵心外徑為φ14500mm,內(nèi)徑φ13450mm,總長3300mm。鐵心軸向均勻設(shè)有高度為5 mm的通風溝,通風槽鋼采用非磁性鋼制成。鐵心兩端疊成階梯形,并采用非磁性壓指及非磁性端箍。定子鐵心定位筋采用浮動鴿尾結(jié)構(gòu),定位筋與托塊間留有適當?shù)拈g隙以適應定子鐵心的熱膨脹。定子鐵心由足夠的穿心螺桿拉緊,在穿心螺桿的上端設(shè)有蝶形彈簧。做完鐵損試驗后,用液壓拉伸器拉伸一次。為減小漏磁損耗,定子鐵心兩端設(shè)計有階梯。

1.2 定子線圈

發(fā)電機定子共有1 152根線棒,三相雙層疊繞組,極對數(shù)為24,每極每相槽數(shù)4槽,8個并聯(lián)支路。定子鐵心在安裝間裝配后吊入機坑(或者定子機座在機坑內(nèi)組圓、疊片),在機坑內(nèi)下線。定子線圈接頭采用銀銅焊接。發(fā)電機定子線圈絕緣采用F級、VPI絕緣系統(tǒng),可以有效地減薄絕緣厚度,電磁線材料采用雙面絕緣厚度為0.2 mm的雙玻璃絲包銅扁線。并采用絕緣槽襯結(jié)構(gòu),在線棒表面形成彈性層,使之與定子槽結(jié)合緊密,可有效降低槽電位,提高線棒抗電暈能力,同時有利于減小線棒與鐵心間的熱阻。定子線棒采用小于360換位,以減小股線間環(huán)流,使股線間溫度均勻,改善線圈股線溫差,從而降低線圈最大溫升,延長線圈壽命,并減小附加損耗。在定子線圈的固定方式上,加長槽楔綁扎段長,將綁扎道數(shù)增加并加粗綁扎線。槽楔下墊彈性波紋板,該墊條具有彈性,以利于線棒在冷熱狀態(tài)下均有一定壓力,使線棒、槽楔能牢固地固定。測溫元件根據(jù)所有槽底、層間測溫電阻線圈的具體分布位置,配置槽底和層間測溫電阻,將測溫電阻線圈粘嵌于F級高強度玻璃布板上,定子測溫引線從通風溝穿出。

2 發(fā)電機組故障缺陷情況

水電站4號機組停機檢修,試驗人員進行機組修前試驗。首先開展定子絕緣電阻試驗,其中三相極化指數(shù)分別為:A相2450/450MΩ,B相2470/451MΩ,C相2510/480MΩ,以上試驗數(shù)據(jù)合格。隨后開始定子直流耐壓及泄漏電流試驗,試驗順序為C相、B相、A相,每相試驗電壓分別為9kV、18kV、27kV、36kV。C、B兩相試驗數(shù)據(jù)合格,數(shù)據(jù)見表1,當試驗進行至A相27 kV時,讀得泄漏電流為47μA,在直流電壓逐步從27 kV加至36 kV過程中,直流發(fā)生器過流保護動作報警,試驗人員隨即降壓、放電,并再次進行絕緣電阻試驗,A相 1 min絕緣電阻正常(475MΩ)。試驗人員重新開始直流耐壓及泄漏試驗,電壓加至2 kV左右時,泄漏電流維持在450 μA左右,未見下降,同時試驗電壓出現(xiàn)放電(電壓在0～2kV之間反復放電波動)。再次進行絕緣電阻試驗,兆歐表電壓顯示在0.4～2.2 kV之間反復充放電,試驗人員隨即停止試驗(試驗數(shù)據(jù)見表1所示)。現(xiàn)場對燒損的測溫墊條進行測量,燒損兩處,下端燒傷部位與槽下端距離為44～56 cm,上端燒傷與槽下端距離為96～126 cm。測溫電阻在下段墊條處。測量測溫電阻,發(fā)現(xiàn)兩個測溫電阻都是好的,阻值分別是107.7 Ω、107.1 Ω。對中段測溫墊條進行解剖,發(fā)現(xiàn)未燒損部位處的測溫引線完好,沒有短路過熱等異常。上層線棒:上層線棒有兩處燒傷痕跡,位置與層間墊條燒損處對應,上層線棒燒傷程度比下層線棒輕微。下層線棒:下層線棒有兩處燒傷痕跡,位置與層間墊條燒損處對應,下層線棒拔出時,上部燒損處折彎,將下層線棒燒傷處截斷并返廠進行解剖,下層線棒上部的銅線處存在破壓點,位置正好在線棒折彎處,下層線棒下部沒有破壓點。

表1 修前直流耐壓及泄漏試驗

3 故障原因分析

3.1 線圈測溫元件方面

測溫元件屏蔽線在發(fā)電機主磁場中切割磁力線感應電壓,因引線布置和走向不完全相同,兩屏蔽線間存在電壓差。由于墊條內(nèi)測溫元件屏蔽線距離較近,且裸露,致使兩屏蔽線沿軸向的墊條內(nèi)發(fā)生一點或多點短路,測溫元件屏蔽線在機外端子箱處一點接地,由于屏蔽線回路電阻較小,屏蔽線中會有較大的電流產(chǎn)生。屏蔽線截面較測溫電阻芯線截面大,不容易燒斷。屏蔽線中電流產(chǎn)生的熱量導致層間墊條受熱老化,絕緣強度降低,甚至破損,并損壞層間線棒窄面的半導體漆,引起線棒對絕緣墊條內(nèi)接地的測溫元件屏蔽線間的電位差增大,當該電位差產(chǎn)生的場強大于空氣間隙的擊穿場強時可能擊穿空氣間隙,甚至產(chǎn)生電弧,造成線棒絕緣損傷和老化。

3.2 高次諧波電流影響

高次諧波電流在發(fā)電機定子中有集膚效應。在定子的雙層繞組中,高次諧波電流主要在沿槽高度的上層線棒里產(chǎn)生附加損耗,并且比下層線棒里的相應附加損耗要大6～7倍,諧波磁場還在定子鐵心齒上產(chǎn)生附加損耗。高次諧波在定子上層線棒里產(chǎn)生的附加損耗亦是造成定子上層線棒的半導體硅橡膠老化的主要因素之一。此外,定子線棒經(jīng)常承受較大的諧波,有可能使絕緣空隙放電的次數(shù)大增,從而較快地縮短絕緣壽命。

3.3 定子繞組的磨損和電腐蝕影響

大型水輪發(fā)電機定子的電流大,電壓高,所以定子線棒的磨損和電腐蝕問題更加嚴重。因絕緣是固體絕緣,熱態(tài)幾乎不膨脹,由于電磁振動,下線時線圈表面防暈層與槽壁接觸不良,從而引起槽內(nèi)間隙火花放電,致使絕緣表面形成可達1 mm以上的麻坑,麻坑的位置隨振動、接觸條件的變化而經(jīng)常變化,使絕緣表面受到嚴重腐蝕。線棒在槽中松動,以及線棒和槽壁間不能保持穩(wěn)定的接觸,是造成電腐蝕的主要原因,由于線棒松動造成線棒表面防暈層磨損,從而又加劇了電腐蝕。運行時,由于定子電流大,定子線圈處在強大的交流電動力的作用下,使定子線棒的磨損和電腐蝕情況普遍存在,往往會引起發(fā)電機的絕緣損壞。

3.4 定子線圈絕緣表面防暈層損傷

上下層線棒絕緣之間可能存在氣隙,使層間電壓分布發(fā)生改變,氣隙上分布的電壓較高,當空氣隙上的電場強度超過其擊穿場強時就會發(fā)生放電,放電會損傷絕緣表面防暈層,使層間電位差進一步增加,對地電位也增加,長期放電會進一步損傷主絕緣。

3.5 線棒銅線股間絕緣短路

由于是從線棒內(nèi)部產(chǎn)生,燃燒時產(chǎn)生的氣體會導致絕緣與銅線脫層,絕緣膨脹,線棒絕緣從內(nèi)部朝外部損壞。

3.6 線棒絕緣破損

機組運行時,線棒內(nèi)部的銅線相對鐵心處于高電位,銅線的電位除以該處的絕緣電阻等于泄漏電流。絕緣完好時,泄漏電流可以忽略不計,當絕緣破損后,破損絕緣處的泄漏電流將會增大。當泄漏電流滿足臨界條件時,該處的絕緣將逐漸被碳化,同時熱量將進一步傳遞,以類似熱空氣上升的原理,逐漸碳化附近特別是絕緣破損點上部的完好絕緣,線棒絕緣從外部朝內(nèi)部損壞。

3.7 線棒表面有導磁異物

導磁異物在旋轉(zhuǎn)磁場中會產(chǎn)生渦流發(fā)熱,燒損接觸的絕緣,線棒絕緣從外部朝內(nèi)部損壞。

4 處理方法及建議

4.1 處理方法

對放電部位表面進行清掃,清掃完成后再次進行試驗,確定具體放電線棒槽號為241槽,處理方法為更換241槽中的上、下層線棒。取出線棒需要一定的空間,一般須吊轉(zhuǎn)子后進行處理,但如果吊轉(zhuǎn)子處理該缺陷,后期作業(yè)方便,但會導致檢修時間的延長,為了充分節(jié)約時間,此次巧妙地利用轉(zhuǎn)子磁極所占空間,先吊出241槽所對應的轉(zhuǎn)子磁極,為更換線棒騰出了足夠的空間,不僅少了吊轉(zhuǎn)子的繁瑣,而且大大的縮短了檢修時間。修后直流耐壓試驗,定子繞組的直流耐壓值為38 kV。試驗電壓按每級0.5倍額定電壓分階段升高,每階段停留1min,并記錄泄露電流。

4.2 建議

(1)測溫元件的絕緣耐溫等級需滿足要求,更換滿足要求的測溫墊條,引線走向最好不要引起運行中產(chǎn)生感應電勢或盡量減少能產(chǎn)生感應電勢的長度,引線無法避免產(chǎn)生感應電勢時,應避免測溫元件芯線對地或之間發(fā)生短路,更應避免屏蔽線之間發(fā)生短路。

(2)安裝發(fā)電機定子繞組局部放電在線監(jiān)測裝置,運行中監(jiān)視發(fā)電機局部放電量是否滿足要求,一旦出現(xiàn)局放超標現(xiàn)象,及時查找隱患,停機處理,避免事故擴大。

(3)機組停機或檢修時,應保持機坑內(nèi)環(huán)境溫度比周圍環(huán)境溫度高,避免繞組吸潮和急劇的熱脹冷縮,加強對線圈端部機械固定情況重點檢查。

(4)加強滑環(huán)室的密封,保證機組在運行中補風干凈和避免碳刷粉塵等進入到定子膛內(nèi)。

(5)發(fā)電機定子安裝過程中,要嚴格按照浸漆工藝要點預烘、浸漆和干燥,開展槽電位測試,對于槽電位不合格的線棒應灌注半導體漆。

5 結(jié)語

大型水輪發(fā)電機組定子結(jié)構(gòu)基本與本站相同,通過本站定子缺陷處理過程及建議,應對同類型機組在設(shè)計選型、安裝工藝及實驗方法等問題上引起重視,同時為出現(xiàn)相同缺陷的機組在故障原因和處理方法上提供參考。

[1]DL/T 596-1996電力設(shè)備預防性試驗規(guī)程[S].

[2]GB-T 474.3-2006現(xiàn)場絕緣試驗實施導則[S].

[3]廣西電力工業(yè)局高級工培訓教材編委會,發(fā)電廠變電所電氣設(shè)備檢修[M].北京:中國水利水電出版社,1998.

TV738

B

1672-5387(2017)07-0092-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.07.028

2017-04-27

楊 東(1985-),男,工程師,從事水電站運行維護管理工作。