透平發(fā)電機(jī)絕緣干燥方法研究及其實(shí)際應(yīng)用

李光明

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150000)

0 引言

在沿海城市或熱帶雨林地區(qū)，空氣濕度長期在80%以上，該地區(qū)電站安裝發(fā)電機(jī)設(shè)備過程中，如果維護(hù)不當(dāng)，極易造成發(fā)電機(jī)絕緣受潮。發(fā)電機(jī)在正常安裝或停機(jī)維護(hù)過程中，應(yīng)該及時(shí)開啟加熱器以保證發(fā)電機(jī)膛內(nèi)干燥。加熱器應(yīng)該安裝在發(fā)電機(jī)進(jìn)風(fēng)口附近或者發(fā)電機(jī)底部風(fēng)室腔內(nèi)，這樣干燥效率會(huì)比較高。如果發(fā)電機(jī)在安裝或停機(jī)維護(hù)過程中沒有及時(shí)開啟加熱器或加熱器效率過低，均會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)絕緣受潮及絕緣電阻值降低。在介紹常規(guī)發(fā)電機(jī)絕緣干燥維護(hù)方法的基礎(chǔ)上，提出在特殊條件下全氫冷燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)迅速去除潮濕提高絕緣電阻值的有效方法及實(shí)際運(yùn)用。

1 透平發(fā)電機(jī)絕緣干燥介紹

發(fā)電機(jī)在出廠裝運(yùn)甚至在電站安裝過程中，其絕緣電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象比較常見，我們通過測量其極化指數(shù)或者吸收比來進(jìn)行評(píng)估。測量發(fā)電機(jī)定子絕緣之前，需要確保發(fā)電機(jī)引出線與外部的封閉母線、中性點(diǎn)接地、局部放電、中性點(diǎn)隔離變壓器等所有連接均斷開，否則就相當(dāng)于多個(gè)對(duì)地電阻并聯(lián)而導(dǎo)致測量結(jié)果偏低。一般情況下定子繞組絕緣極化指數(shù)在2.5以上，轉(zhuǎn)子繞組在1.25以上標(biāo)志著發(fā)電機(jī)比較清潔干燥。實(shí)際上國內(nèi)電網(wǎng)一般要求發(fā)電機(jī)定子繞組可以不經(jīng)過干燥處理直接啟機(jī)運(yùn)行的條件是：吸收比不小于1.6或極化指數(shù)不小于2.0；40 ℃時(shí)三相繞組并聯(lián)對(duì)地絕緣電阻值不小于(Un+1)MΩ(取Un的千伏數(shù)，下同)。分相試驗(yàn)時(shí)，不小于2(Un+1)MΩ(若定子繞組溫度不是40 ℃，絕緣電阻值應(yīng)進(jìn)行換算)。如果要做耐壓試驗(yàn)，建議極化指數(shù)要在2.5以上[1]。燃機(jī)發(fā)電機(jī)在旋轉(zhuǎn)整流模塊上的測試電壓不應(yīng)該超過500 V，在定子繞組上使用正常伺服電壓，允許有較低的極化指數(shù)，其中使用500 V搖表測量60 s定子絕緣電阻應(yīng)該接近80 MΩ以上，轉(zhuǎn)子絕緣電阻達(dá)到20 MΩ以上。低于以上值建議進(jìn)行干燥處理。

發(fā)電機(jī)可以采用“開路法”和“短路法”進(jìn)行干燥，這兩種方法都很有效，區(qū)別在于“短路法”不可用于具有聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電機(jī)。干燥過程應(yīng)該在發(fā)電機(jī)處于空氣介質(zhì)環(huán)境中進(jìn)行，發(fā)電機(jī)需要符合汽輪機(jī)運(yùn)行要求，處于低速運(yùn)轉(zhuǎn)(50%～100%額定轉(zhuǎn)速)。

1.1 水冷發(fā)電機(jī)

水冷發(fā)電機(jī)絕緣干燥過程中應(yīng)該注意：(1)用搖表測量定子繞組絕緣之前應(yīng)該將定子繞組內(nèi)部的水徹底抽干(使用水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)絕緣測試儀除外)。(2)進(jìn)入離子交換器的循環(huán)水不應(yīng)超過50 ℃。(3)如果只需要給轉(zhuǎn)子除潮，可在定子通水環(huán)境下進(jìn)行，控制定子出水溫度在70～80 ℃范圍內(nèi)，可以加快轉(zhuǎn)子除潮速度。

1.2 利用LCI(Load Commutated Inverter負(fù)載換相式電流源型變頻器)變頻啟動(dòng)的汽輪發(fā)電機(jī)

利用LCI啟動(dòng)裝置作為發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)電源，在給發(fā)電機(jī)絕緣進(jìn)行干燥時(shí)應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：(1)不適合采用“短路法”進(jìn)行除潮。(2)當(dāng)LCI通電并與發(fā)電機(jī)端導(dǎo)通時(shí)，低于額定轉(zhuǎn)速的發(fā)電機(jī)必須和汽輪機(jī)按正常啟動(dòng)程序下的轉(zhuǎn)速要求保持一致(不推薦這種依靠變頻啟動(dòng)并保持低速運(yùn)轉(zhuǎn)的除潮方法，會(huì)比較危險(xiǎn))。(3)全氫冷發(fā)電機(jī)在空氣介質(zhì)中利用LCI啟動(dòng)并低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，要保證停止余熱鍋爐熱啟動(dòng)，停止水洗和凈化等系統(tǒng)的運(yùn)行[2]。(4)LCI停止啟動(dòng)并與發(fā)電機(jī)線路斷開時(shí)可以使用“開路法”進(jìn)行發(fā)電機(jī)除潮，需要利用其它裝置實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

1.3 發(fā)電機(jī)“開路法”除潮

“開路法”可以應(yīng)用于一般所有機(jī)型，包括聯(lián)合循環(huán)的機(jī)組。轉(zhuǎn)子在50%～100%的額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，額定轉(zhuǎn)速勵(lì)磁時(shí)，轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電流在定子上感生端電壓，不應(yīng)該超過115%的額定端電壓?？刂妻D(zhuǎn)子最高溫度不超過100 ℃，定子線圈溫度不超過80 ℃。降低轉(zhuǎn)速或勵(lì)磁，使發(fā)電機(jī)線圈溫度達(dá)到最高溫度，維持不少于6 h。發(fā)電機(jī)上的冷卻器可以通入一定溫度的水，控制水流使冷卻器的出風(fēng)溫度在55～65 ℃。在以上干燥過程中，要求在正常時(shí)間間隔內(nèi)讀取并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。關(guān)注絕緣電阻隨時(shí)間變化曲線，也包括從發(fā)電機(jī)排出的氣體濕度變化，定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組溫度變化情況。隔6～8 h后停機(jī)，穩(wěn)定后用搖表測量發(fā)電機(jī)絕緣電阻情況。

1.4 發(fā)電機(jī)“短路法”除潮

將發(fā)電機(jī)定子繞組三相引出線全部短接，整個(gè)電路包括電流互感器(出線罩內(nèi))和線圈繞組。按照汽輪機(jī)運(yùn)行要求發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在接近額定半速條件下運(yùn)行，轉(zhuǎn)子可以通入直流電流并應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：(1)傳統(tǒng)空冷、氫冷發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流在定子感生短路電流，達(dá)到其額定電流的56%。(2)油冷發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流要求定子感生短路電流，達(dá)到其額定電流的35%。(3)油冷或水冷發(fā)電機(jī)，在冷卻液抽空或者不循環(huán)的條件下，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流要求定子感生短路電流，達(dá)到其額定電流的28%。除了以上需要注意的幾點(diǎn)，在“開路法”中對(duì)于溫升、時(shí)間的控制也適用于本方案。

1.5 通入直流電流對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行干燥(靜態(tài))

本方法中轉(zhuǎn)子是靜止?fàn)顟B(tài)，且屬于轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)部受潮，測量轉(zhuǎn)子絕緣電阻非常低(低于500 kΩ)。需要維持在100～110 ℃增加除潮速度的情況時(shí)，本方法是最好的選擇，但電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況下維持以上溫度并不現(xiàn)實(shí)。靜止?fàn)顟B(tài)下，轉(zhuǎn)子集電環(huán)電刷不應(yīng)該和轉(zhuǎn)子集電環(huán)接觸，通直流的銅導(dǎo)線應(yīng)該直接和轉(zhuǎn)子集電環(huán)相連。銅導(dǎo)線接頭應(yīng)該和集電環(huán)有足夠大的接觸面，確保轉(zhuǎn)子集電環(huán)表面不會(huì)過熱。

四極轉(zhuǎn)子，可以通入空載勵(lì)磁電流的50%，兩極轉(zhuǎn)子，可以通入空載勵(lì)磁電流的25%。狀態(tài)穩(wěn)定之前，如果以上電流值并不能提高相應(yīng)轉(zhuǎn)子繞組溫度，使其達(dá)到100～110 ℃，可以考慮將原轉(zhuǎn)子通入的電流增加5%。每增加5%的電流將會(huì)使轉(zhuǎn)子繞組的溫度相應(yīng)提高10%。要注意標(biāo)準(zhǔn)的臨時(shí)熱電偶或者一般溫度計(jì)應(yīng)該固定在轉(zhuǎn)子兩端護(hù)環(huán)中心處相應(yīng)底匝線圈表面處，和根據(jù)轉(zhuǎn)子絕緣電阻推算出來的轉(zhuǎn)子平均溫度對(duì)照并一起進(jìn)行監(jiān)控。由于沒有轉(zhuǎn)子本體的體積大，轉(zhuǎn)子繞組端部和轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)容易較快加熱，所以要在該部位進(jìn)行監(jiān)控。加熱轉(zhuǎn)子時(shí)，加強(qiáng)其周圍的空氣流通可以提高除去轉(zhuǎn)子表面潮濕的速度?？梢钥紤]打開端蓋或者人孔蓋板，用風(fēng)扇往轉(zhuǎn)子表面吹風(fēng)[3]。

通過測量轉(zhuǎn)子直阻，可以參考下面公式計(jì)算轉(zhuǎn)子溫度：

(1) 銅線(含銀)繞組

(2) 鋁線繞組

式中：T為轉(zhuǎn)子繞組熱態(tài)溫度℃；R1為轉(zhuǎn)子繞組冷態(tài)(溫度為t時(shí))直流電阻Ω；R2為轉(zhuǎn)子繞組熱態(tài)(溫度為T時(shí))直流電阻Ω；t為轉(zhuǎn)子繞組的冷態(tài)溫度℃。

R1、R2可以直接用精度比較高的量表直接測量，轉(zhuǎn)子冷態(tài)的直流電阻推薦使用直流雙臂電橋測量。

2 實(shí)際應(yīng)用和具體改進(jìn)

在燃機(jī)發(fā)電機(jī)實(shí)際安裝過程中尤其在穿轉(zhuǎn)子后到端蓋軸承油密封投運(yùn)之前，發(fā)電機(jī)內(nèi)部和周圍環(huán)境沒有隔絕，發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子絕緣受周圍環(huán)境濕度的影響很大。即使投入加熱器依然效果甚微，其根本原因是由于加熱器安排的位置并不合理。該結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)汽、勵(lì)端加熱器均分布于內(nèi)端蓋和大端蓋之間，且處于水平中心線以上位置見圖1，加熱器所產(chǎn)生的熱量被內(nèi)端蓋阻擋，很難進(jìn)入發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子繞組表面。在端蓋軸承油密封系統(tǒng)投運(yùn)之后，轉(zhuǎn)子可以進(jìn)行盤車操作，而由于盤車速度有限，加熱器產(chǎn)生的熱量無法充分得到循環(huán)，除去發(fā)電機(jī)內(nèi)部潮濕的效果并不明顯。發(fā)電機(jī)進(jìn)行到盤車階段，接下來就是啟機(jī)或進(jìn)一步調(diào)試，此時(shí)發(fā)電機(jī)絕緣受潮成為制約工程進(jìn)展的重大因素。

圖1 發(fā)電機(jī)加熱器安裝位置示意圖

燃機(jī)發(fā)電機(jī)有別于常規(guī)燃煤汽輪發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)方式，在于燃機(jī)發(fā)電機(jī)需要通過變頻啟動(dòng)并拖動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)達(dá)到自持轉(zhuǎn)速[4-5]，所以無法按照常規(guī)汽輪發(fā)電機(jī)方式啟機(jī)，并在額定轉(zhuǎn)速下空轉(zhuǎn)達(dá)到高效除潮的目的。在準(zhǔn)備啟機(jī)調(diào)試之前，橫琴1#燃機(jī)發(fā)電機(jī)由于絕緣受潮其定子絕緣電阻R60S低于80 MΩ，無法用LCI直接啟動(dòng)的方法去對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行干燥，更不具備“開路法”和“短路法”干燥發(fā)電機(jī)的條件。對(duì)于轉(zhuǎn)子采用1.5章節(jié)的方法進(jìn)行快速干燥，集電環(huán)勵(lì)磁刷架采用四個(gè)熱光燈集中加熱的方法，均有效的在本項(xiàng)目中得到實(shí)際應(yīng)用。

圖2 用焊接機(jī)作為直流電源接線簡圖

針對(duì)該燃機(jī)發(fā)電機(jī)定子無法正常進(jìn)行絕緣干燥問題，提出在發(fā)電機(jī)進(jìn)氣管道通入80 ℃的熱空氣，由于進(jìn)氣量有限，在實(shí)際操作過程中收效甚微。為此采用直接在定子繞組輸出端直接通入直流電流的辦法，快速有效地提高發(fā)電機(jī)絕緣電阻。實(shí)際操作過程中選擇焊接機(jī)直接和電樞繞組輸出端形成回路如圖2所示[6]。

理論上選擇輸出直流電流在1 800 A，每相電流約600 A，本臺(tái)定子每相直流電阻(75 ℃)0.001 071 Ω，經(jīng)過理論估算每小時(shí)線圈能夠提高溫度1 ℃，再根據(jù)在線檢測定子繞組，線圈實(shí)際溫度值控制輸出直流電流值。在實(shí)際操作過程中沒有采用這么高的電流，直流電源輸出電流控制在400～500 A，在加熱48 h后線圈溫度平均達(dá)到55 ℃，比原來溫度增長了6～10 ℃，定子繞組各相絕緣電阻已經(jīng)有了明顯的增加，R60S增長到200～500 MΩ左右見表1，具備了啟機(jī)條件和做交流耐壓試驗(yàn)條件。全氫冷燃機(jī)發(fā)電機(jī)不做定子繞組泄漏電流和直流耐壓試驗(yàn)，交流耐壓試驗(yàn)按照2Un，1 min標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

3 總結(jié)

燃汽輪發(fā)電機(jī)特殊的啟機(jī)方式制約著其絕緣干燥方法的選擇，結(jié)構(gòu)上應(yīng)該考慮在發(fā)電機(jī)繞組底部增加加熱器，這樣在停機(jī)時(shí)更有利于進(jìn)行發(fā)電機(jī)絕緣維護(hù)。利用焊接機(jī)作為直流電源只和發(fā)電機(jī)定子繞組端部連接，直接加熱定子線棒的方法是可行有效的。

表1 發(fā)電機(jī)絕緣電阻和吸收比變化