雙水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈繞組漏水故障處理及分析

周文源

(上海外經(jīng)集團(tuán)有限公司，上海200032)

0 引言

隨著“一帶一路”政策的逐步實(shí)施，國產(chǎn)電力設(shè)備越來越多地走向世界各地，在當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件惡劣、外部檢查診斷儀器匱乏的情況下，快速診斷故障、確保電力設(shè)備的安全運(yùn)行至關(guān)重要。若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)雙水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子漏水故障，進(jìn)行停機(jī)處理，將耽誤設(shè)備搶修的時(shí)間，輕則導(dǎo)致機(jī)組停運(yùn)，重則將燒毀繞組或鐵芯，損壞大軸[1]。以往缺乏有效的報(bào)警裝置，常通過檢漏裝置、毛發(fā)濕度儀、濕敏電阻傳感報(bào)警等裝置來進(jìn)行診斷[2-13]，但這些手段不能區(qū)分發(fā)電機(jī)本體和空冷器漏水兩類不同故障。尤其當(dāng)發(fā)電機(jī)各溫度監(jiān)測及定、轉(zhuǎn)子水壓均無異常，僅有空冷室地面積水的情況下，并不能通過上述常規(guī)手段進(jìn)行快速診斷。本文采用了水質(zhì)化驗(yàn)的初步判定方法，快速高效地對雙水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組線圈漏水故障進(jìn)行分析和診斷。

1 設(shè)備概況

該電廠2號發(fā)電機(jī)型號為QFS-110-2雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的激磁繞組采用內(nèi)部通水冷卻，且有單獨(dú)的水回路系統(tǒng)，冷卻水來自化學(xué)的除鹽水，從勵(lì)磁機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的軸孔中流入，經(jīng)勵(lì)磁側(cè)進(jìn)水箱，分配到特殊設(shè)計(jì)的12根絕緣引水管流到轉(zhuǎn)子的各空心線圈內(nèi)，從汽側(cè)線圈流出經(jīng)絕緣引水管匯集到出水箱。轉(zhuǎn)子線圈由空心方形銅線繞制而成，通過鋼絲套保護(hù)四氟乙烯連接管與進(jìn)(出)水箱連接，再通過進(jìn)水支座、出水支座組成完整的水路系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)冷卻方式為雙水內(nèi)冷，定子、轉(zhuǎn)子繞組水內(nèi)冷，鐵芯為空冷。為確保發(fā)電機(jī)的運(yùn)行可靠，發(fā)電機(jī)裝設(shè)溫度監(jiān)測、漏水監(jiān)測、斷水監(jiān)測等基本自動(dòng)監(jiān)測裝置。

雙水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子線圈冷卻水路如圖1所示，軟水進(jìn)入水箱①，水箱①里的冷卻水由冷水泵②(一臺(tái)運(yùn)行，一臺(tái)備用)打到冷水器③內(nèi)，水從冷水器③出來分成兩路，一路通定子，一路通轉(zhuǎn)子，分別對定子④和轉(zhuǎn)子⑤進(jìn)行冷卻，帶走熱量的水經(jīng)過再回到水箱①內(nèi)，這樣周而復(fù)始。

圖1 雙水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)組線圈冷卻水路示意圖

發(fā)電機(jī)空氣冷卻器冷卻水路如圖2所示，硬水由蓄水池流出經(jīng)過水泵到空冷器，從空冷器流出的水經(jīng)過冷卻塔回到所述蓄水池。

圖2 發(fā)電機(jī)空氣冷卻器冷卻水路示意圖

2 故障情況

在某次巡查時(shí)發(fā)現(xiàn)2號發(fā)電機(jī)空冷器底部有積水，打開發(fā)電機(jī)空冷器室觀察窗，逐一退出上、下層各組冷卻器進(jìn)行檢查。由于發(fā)電機(jī)空冷器上下層冷卻器重疊且觀察位置受限，無法準(zhǔn)確判斷泄漏管組及具體泄漏點(diǎn)，當(dāng)時(shí)該電廠2號發(fā)電機(jī)各點(diǎn)溫度、機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測及定轉(zhuǎn)子水壓均無異常，發(fā)電機(jī)的各項(xiàng)電流、電壓等參數(shù)都顯示正常。因?yàn)檗D(zhuǎn)子一直處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，發(fā)電機(jī)小室內(nèi)部少量的水滴很快在高速旋轉(zhuǎn)的離心力和冷卻風(fēng)扇的粉碎力作用下，變成霧狀分散于冷卻空氣中，無法進(jìn)行判斷是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、定子或空氣冷卻器冷卻水管泄露。

3 故障診斷方法

3.1 常規(guī)的故障診斷方法

區(qū)分是發(fā)電機(jī)本體漏水還是空冷器漏水的常規(guī)診斷手段有兩種，一種是制造廠在發(fā)電機(jī)定子機(jī)座兩端和空冷器小室里裝設(shè)電阻檢漏板；另外一種是運(yùn)行單位加裝毛發(fā)濕度儀及濕敏電阻傳感器。

常規(guī)的檢測方法存在缺陷:①制造廠裝設(shè)電阻檢漏板能反映滴狀的漏水，但很難及時(shí)反映霧狀漏水；②毛發(fā)濕度儀、濕敏電阻傳感器的采樣氣體大都取之于空冷器小室，而且以機(jī)內(nèi)相對濕度某定值作為報(bào)警值，不能具有定性報(bào)警的功能。

導(dǎo)致發(fā)電機(jī)內(nèi)部相對濕度上升的原因有定子絕緣引水管和水電接頭漏水，轉(zhuǎn)子絕緣引水管、引水拐角、轉(zhuǎn)子銅線焊接頭等處漏水和空氣冷卻器漏水[14]。另外，季節(jié)、負(fù)荷的變化也會(huì)使發(fā)電機(jī)內(nèi)部相對濕度發(fā)生變化，特別在亞熱帶地區(qū)，受周圍環(huán)境的影響更加嚴(yán)重。由于定子是靜止體，漏水時(shí)一般成滴狀流出來，容易被檢漏板檢測到或被肉眼觀察到。而轉(zhuǎn)子在運(yùn)行時(shí)一直處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，少量的水滴會(huì)在漏水初期高速旋轉(zhuǎn)的離心力和冷卻風(fēng)扇的粉碎力作用下，變成霧狀分散于冷卻空氣中，此時(shí)電阻檢漏板不會(huì)有反應(yīng)，毛發(fā)濕度儀或其他濕度傳感器雖會(huì)有所反應(yīng)，但同空冷器漏水一樣，往往都能在空冷器小室里首先發(fā)現(xiàn)有水跡，無法區(qū)分，容易造成誤判[14]。而當(dāng)發(fā)電機(jī)各溫度監(jiān)測及定、轉(zhuǎn)子水壓均無異常，外界電力負(fù)荷緊張，未確認(rèn)漏水部位的情況下，無法做到停機(jī)檢查[14]。

3.2 水質(zhì)化驗(yàn)判定的故障診斷方法

取2號發(fā)電機(jī)空冷器底部積水進(jìn)行化驗(yàn)，如果化驗(yàn)結(jié)果是軟水，可以判斷是發(fā)電機(jī)漏水，化驗(yàn)結(jié)果為硬水，則判斷是空冷器漏水。因?yàn)殡p水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子冷卻水質(zhì)要求透明純凈，無機(jī)械混雜物，在水溫20℃時(shí)應(yīng)滿足一定指標(biāo)(電導(dǎo)率為0.5～1.5μs/cm；pH為7.0～9.0；硬度＜10μg當(dāng)量/L)，而空冷器冷卻水管里的冷卻水的水質(zhì)就是一般的工業(yè)水。通過檢查發(fā)電機(jī)的漏水的形式是滴水還是霧狀，可以進(jìn)一步判斷是發(fā)電機(jī)的定子或轉(zhuǎn)子漏水。若空冷小室霧狀漏水，則可初步判斷是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子漏水。

4 故障現(xiàn)場處理

確認(rèn)是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈泄露后，立即進(jìn)行停機(jī)處理:①在拔護(hù)環(huán)前，做0.4 MPa水壓試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)長引線3號包線圈槽內(nèi)中間部位最先漏水，逐漸向兩側(cè)漏水；②拔勵(lì)端護(hù)環(huán)后，將槽楔退出，做0.4～0.6 MPa水壓試驗(yàn)，端部第一二匝、五六匝之間漏水，槽內(nèi)中間部位少量漏水；③將面匝(第七匝)銅線翻起檢查，沒有漏水點(diǎn)，初步懷疑是第一二匝或第五六匝的中間部位向兩端和面匝漏水；④現(xiàn)場繼續(xù)將汽端護(hù)環(huán)拔出，拆出3號包線圈，發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)在底匝(槽底第一匝)大圈位置，漏點(diǎn)朝向槽底，在銅線接頭處。該槽內(nèi)絕緣水浸濕嚴(yán)重，轉(zhuǎn)子槽內(nèi)銹蝕較重。

設(shè)備修理后按照要求進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，各種參數(shù)達(dá)到要求，投入盤車運(yùn)行正常，盤車電流30 A、大軸晃動(dòng)1絲，開機(jī)后各項(xiàng)參數(shù)正常。

5 原因分析

5.1 應(yīng)力分析

因自重的作用，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生交變的靜撓度，同時(shí)也使轉(zhuǎn)子線圈產(chǎn)生交變的徑向和軸向相對位移，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，線圈因轉(zhuǎn)子靜撓度產(chǎn)生的徑向和軸向相對位移就變化一個(gè)循環(huán)周期，由此產(chǎn)生一個(gè)交變應(yīng)力。

5.2 焊接工藝分析

雖然轉(zhuǎn)子繞組銅管釬焊焊體厚度符合制造廠工藝要求，但焊接時(shí)溫度控制不良，導(dǎo)致焊體邊沿處銅管過熱損傷，在長期應(yīng)力作用下疲勞。

5.3 運(yùn)行方式分析

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子以額定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，靜應(yīng)力為恒定值，交變應(yīng)力有穩(wěn)定的幅值和周期。但發(fā)電機(jī)每一次啟動(dòng)或停機(jī)，轉(zhuǎn)子溫度、轉(zhuǎn)速都將經(jīng)歷一個(gè)升高—降低的變化過程。這一過程中，靜應(yīng)力隨轉(zhuǎn)速將產(chǎn)生交變，轉(zhuǎn)子撓度產(chǎn)生的交變應(yīng)力的幅值和周期也將發(fā)生變化。另外轉(zhuǎn)子在啟停過程中溫度的變化還會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，因此每一次機(jī)組啟停尤其跳閘甩負(fù)荷時(shí)都將形成更大的疲勞損傷[15]。

經(jīng)分析，該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈由于繞組銅管焊接過熱損傷，在正常運(yùn)行自重應(yīng)力及啟停跳閘甩負(fù)荷特殊工況附加應(yīng)力的作用下最終疲勞失效導(dǎo)致泄漏。

6 預(yù)防措施及建議

1)制造廠改進(jìn)釬焊工藝，避免疲勞損傷或缺陷；機(jī)組安裝期間，嚴(yán)格按制造廠和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定子和轉(zhuǎn)子的水壓試驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除滲漏缺陷；運(yùn)行期間發(fā)現(xiàn)漏水時(shí)，應(yīng)果斷停機(jī)檢查，以免擴(kuò)大造成毀機(jī)事故。

2)機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，加強(qiáng)對發(fā)電機(jī)巡查，加強(qiáng)定子、轉(zhuǎn)子冷卻水進(jìn)水壓力、定子兩端視察窗、冷風(fēng)室地面是否積水、空冷器有否結(jié)露的檢查巡視。盡量避免過于頻繁的開停機(jī)，負(fù)荷不宜過于頻繁幅度過大。

3)加強(qiáng)對發(fā)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)視，做好檢漏裝置的維護(hù)工作，檢修期間應(yīng)進(jìn)行檢漏裝置試驗(yàn)，確保其功能正常，當(dāng)發(fā)電機(jī)濕度檢測儀報(bào)警時(shí)應(yīng)仔細(xì)檢查原因；機(jī)組臨時(shí)檢修時(shí)加強(qiáng)定子、轉(zhuǎn)子繞組絕緣電阻測試，及時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣或漏水缺陷。按要求進(jìn)行發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子檢修項(xiàng)目，確保各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果合格。

7 結(jié)語

國產(chǎn)發(fā)電機(jī)在海外工作環(huán)境下發(fā)生了國內(nèi)少見的水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組線圈漏水故障，現(xiàn)場無法利用常規(guī)雙水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)組檢漏裝置、毛發(fā)濕度儀和濕敏電阻傳感報(bào)警裝置正確判斷發(fā)電機(jī)泄漏位置。通過檢測漏水水質(zhì)為軟水，區(qū)分漏水形態(tài)為霧狀，在現(xiàn)場有限的條件下快速判斷為發(fā)電機(jī)本體轉(zhuǎn)子漏水，為缺陷的正確處理指明方向。