抽水蓄能機組轉(zhuǎn)子磁極典型故障（缺陷）原因分析及對策

陳俠　胡棟 胡偉

【摘 要】抽水蓄能機組啟動速度快，負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍廣。它不僅能完成調(diào)峰、填谷、調(diào)相、調(diào)頻、事故備用等任務(wù)，而且能提高能源利用率。因此，近年來發(fā)展迅速。在抽水蓄能機組中，定子和轉(zhuǎn)子磁場以同步速度旋轉(zhuǎn)。它們之間的相互作用產(chǎn)生電磁力。為了實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，發(fā)電機組必須克服切向電磁力的作用，將機械能轉(zhuǎn)換為電能。因此，轉(zhuǎn)子作為抽水蓄能機組的重要組成部分，是保證發(fā)電和抽水成功的關(guān)鍵，其質(zhì)量直接關(guān)系到抽水蓄能機組的安全運行。

【關(guān)鍵詞】抽水蓄能機組；轉(zhuǎn)子磁極；故障（缺陷）；）原因及對策

中圖分類號：TM862 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

引言

本文主要對抽水蓄能機組轉(zhuǎn)子磁極典型故障（缺陷）原因進(jìn)行了簡要的分析，希望可以為相關(guān)人員提供一定的參考。

1轉(zhuǎn)子磁極故障分析

磁極線圈是水輪發(fā)電機的核心部分，匝間短路和接地故障為轉(zhuǎn)子磁極的主要故障。線圈匝間、引線夾和接頭的絕緣防護(hù)也就成了核心部分，檢修磁極絕緣防護(hù)就直接影響發(fā)電機正常穩(wěn)定運行，這就對磁極線圈匝間一定要有可靠的絕緣性要求。制造工藝不良或者安裝維護(hù)不當(dāng)都會引發(fā)匝間短路；轉(zhuǎn)子引線是水輪發(fā)電機中連接勵磁系統(tǒng)與磁極的重要部件，轉(zhuǎn)子引線其故障主要為機械應(yīng)力的破壞。以下對轉(zhuǎn)子磁極檢修故障大致經(jīng)驗總結(jié)。（1）機組運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的碳粉或因檢修時匝間縫隙有焊渣、焊錫滴等雜物未清理干凈，引起短路導(dǎo)致磁極引出線發(fā)熱被燒斷的故障。（2）當(dāng)機組在高速運轉(zhuǎn)中時，機組振動時轉(zhuǎn)子磁極所受的機械應(yīng)力會使磁極把合螺栓產(chǎn)生松動，使其磁軛和磁極之間的向心力位移。轉(zhuǎn)子磁極的極間接連片和把合螺栓間產(chǎn)生縫隙，使磁極匝間線圈開裂短路。（3）轉(zhuǎn)子磁極長期運行會使得磁極引線片連接片和連接螺栓極易發(fā)熱燒斷現(xiàn)象，融化的銅屑和碳粉滯留在機組中，造成了轉(zhuǎn)子磁極燒損匝線短路。（4）由于轉(zhuǎn)子磁極常處水電站潮濕空氣環(huán)境區(qū)域，空氣濕度會進(jìn)入到鐵心和線圈間隙，滑環(huán)散落的碳粉和油霧混合物受潮以后，經(jīng)機組運轉(zhuǎn)時會帶到磁極和線圈上，磁極鐵心和磁極線圈在主絕緣間隙間會形成一個半導(dǎo)體的介質(zhì)，主絕緣防護(hù)下降，因介質(zhì)導(dǎo)電而形成的短路。

2抽水蓄能機組轉(zhuǎn)子磁極典型故障（缺陷）原因分析及對策

2.1轉(zhuǎn)子磁極引線及連接線本體缺陷簡述及原因分析

2.1.1原因分析

某抽水蓄能電廠磁極連接線本體裂紋缺陷僅在機組投產(chǎn)初期出現(xiàn)過，其根本原因是磁極連接線原設(shè)計采用剛性連接，垂直于磁軛上端面切向連接。采用此種連接方式?jīng)]有考慮到機組轉(zhuǎn)速過高、啟動頻繁、正反轉(zhuǎn)的特點。當(dāng)機組高速轉(zhuǎn)動時磁極連接線彎部出現(xiàn)應(yīng)力局部集中，無法有效補償機組運行時振動、溫升、電磁力、疲勞、飛逸時的離心力及電氣短路等產(chǎn)生的變形，導(dǎo)致磁極連接線本體出現(xiàn)裂紋。

磁極引出線采用剛性連接，磁極連接線各部件裝配時由于修型矯正時工藝不當(dāng)導(dǎo)致材質(zhì)受損引起連接線局部機械損傷，運行中由于振動、溫升、電磁力產(chǎn)生的變形產(chǎn)生裂紋。

2.1.2轉(zhuǎn)子磁極引線及連接線本體缺陷對策建議

1）嚴(yán)格按照制造廠提供的運行維護(hù)手冊中要求緊固件的檢查內(nèi)容、標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行現(xiàn)場檢查確認(rèn)。2）建議將發(fā)電機磁極引出線無損探傷列為金屬監(jiān)督項目，B級以上檢修實施。3）建議各單位應(yīng)明確磁極連接線檢修工藝要求及危險點分析預(yù)控措施；檢修中對磁極引出線做好防護(hù)，以避免保護(hù)措施不完善引起磁極引出線損傷。4）結(jié)合機組檢修應(yīng)對磁極引出線、極間連接線進(jìn)行檢查有無移位、變形、裂紋等。5）磁極連線A級檢修中應(yīng)對磁極連接線絕緣進(jìn)行全面檢查。對出現(xiàn)破損或異常部位，應(yīng)按照相關(guān)工藝要求進(jìn)行處理。抽查兩根磁極連接線，剝開磁極連接線絕緣檢查焊縫無開裂現(xiàn)象。磁極連接線外觀檢查，磁極連接線表面清潔，Ω連接無裂痕。磁極連接線接觸電阻試驗，用微歐儀測量磁極連接線的電阻，試驗電流不小于100A，電阻應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)。6）定期檢查磁極連接線螺栓標(biāo)記線有無變動與磁極引線與磁極連接線處有無由于過熱而變色的現(xiàn)象。

2.2轉(zhuǎn)子一點接地故障原因分析

2.2.1原因分析

檢查發(fā)現(xiàn)，撕裂部位是磁極引線長軟連接最外側(cè)銅片，且撕裂位置均為引線根部（磁軛側(cè)）。主要原因是該種型式的磁極軟連接在易出現(xiàn)裂紋的根部位置承受的離心應(yīng)力較高，且各層軟銅片受力不均，尤其是最外側(cè)銅片整體受力較大，如果再受外力碰壓損傷變形，則更易造成撕裂。

2.2.2轉(zhuǎn)子一點接地故障對策建議

在撕裂片數(shù)不多時，可采取撕掉已經(jīng)發(fā)生撕裂的軟連接銅片的方法進(jìn)行處理。在設(shè)計時，磁極軟連接的載流密度留有一定的裕度，軟連接缺少數(shù)片不影響載流量，但應(yīng)符合DL/T817—2014《立式水輪發(fā)電機檢修技術(shù)規(guī)程》中磁極引線缺失15%需要更換引線的規(guī)定。以該臺機組為例，28片銅片最多只能缺失4片，撕掉4片后，若再發(fā)生撕裂就要更換引線。為了避免軟連接繼續(xù)撕裂，需要采取臨時措施，防止軟連接繼續(xù)撕裂后再次造成轉(zhuǎn)子一點接地跳機故障。

2.3定子繞組損毀故障原因分析

2.3.1原因分析

當(dāng)發(fā)電機處于開機過程，轉(zhuǎn)速已達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，且處于空載狀態(tài)時，磁極擋塊在運行中脫落擊中定子線圈導(dǎo)致定子接地故障及相間短路故障。在定子線圈損壞期間，若故障電流未達(dá)到發(fā)電機縱聯(lián)差動保護(hù)動作值，則繼電保護(hù)不動作。而當(dāng)前國內(nèi)大多數(shù)大型水輪發(fā)電機繼電保護(hù)均配置了啟停機保護(hù)，當(dāng)以啟停機保護(hù)的差流為判據(jù)，發(fā)電機在啟動過程中發(fā)生相間短路故障，發(fā)電機勵磁系統(tǒng)在機組未到額定轉(zhuǎn)速時便投入勵磁，此時啟停機保護(hù)在判斷出相間短路故障后動作。由于發(fā)電機啟動或停機過程中，定子電壓頻率很低，因此啟停機保護(hù)采用了不受頻率影響的算法，保證了啟停機過程中對發(fā)電機的保護(hù)。

2.2.2故障對策

水輪發(fā)電機啟停機保護(hù)整定情況可作如下參考：（1）頻率閉鎖定值fop=0.9×50=45（Hz）；（2）定子接地保護(hù)定值Uop=10V，t=2s；（3）發(fā)電機差流啟停機定值按額定頻率，大于滿負(fù)荷運行時的差動回路中的不平衡電流整定Iop=KrelIunb=0.3Ie；（4）動作出口，跳發(fā)電機出口開關(guān)、滅磁開關(guān)，發(fā)電機停機。不平衡電流整定Iop根據(jù)工程實際經(jīng)驗取0.3Ie，時間定值無延時。對于零序過電壓啟停機保護(hù)，配置了靈敏度更高的定子接地保護(hù)動作，跳閘延時。考慮到發(fā)電機差動保護(hù)的差流算法與啟停機保護(hù)的差流算法略有不同，發(fā)電機差動保護(hù)在頻率未達(dá)到45Hz前仍有可能測算不準(zhǔn)確。

結(jié)束語

綜上所述，本文以抽水蓄能電廠轉(zhuǎn)子磁極典型故障為例，對轉(zhuǎn)子磁極缺陷進(jìn)行原因討論，并提出了可行的對策建議，為以后新建抽水蓄能電廠轉(zhuǎn)子磁極設(shè)計和已建成抽水蓄能電廠的轉(zhuǎn)子磁極維護(hù)都提供了指導(dǎo)性的意見。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊新志，李俊紅，李偉.大型水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁極匝間短路故障分析與診斷[J].水電與新能源，2018，32（06）：51-54+58.

[2]張廣韜.大型發(fā)電機勵磁繞組匝間短路故障的在線監(jiān)測與定位[D].北京交通大學(xué)，2018.

[3]周清，周若愚.水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁極線圈開裂故障分析及處理[J].中國設(shè)備工程，2017（16）：48-50.

[4]陳大森，李明，徐曉東.仙居抽水蓄能電站發(fā)電機轉(zhuǎn)子絕緣下降原因分析及處理[J].水利水電技術(shù)，2017，48（S1）：110-112.

[5]陳泓宇，楊慶文，黃運福，程振宇.清遠(yuǎn)蓄能電站1號發(fā)電機轉(zhuǎn)子一點接地故障的查找及處理[J].水電站機電技術(shù)，2017，40（06）：41-43.

（作者單位：國網(wǎng)新源控股有限公司檢修分公司）