1000MW汽輪發(fā)電機(jī)線棒層間溫差大問題原因探討

施俊峰 尚新建 趙波

摘要：本文介紹了國內(nèi)某核電站1000MW汽輪發(fā)電機(jī)線棒層間溫差偏大問題的背景和分析方法。從溫度探頭測量準(zhǔn)確性、設(shè)備設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、工藝特點(diǎn)、絕緣溫降等幾個因素，結(jié)合現(xiàn)場水流量試驗(yàn)、熱水流試驗(yàn)、空載試驗(yàn)等試驗(yàn)和河洛發(fā)電廠6#機(jī)溫差高的典型案例綜合分析，排除了發(fā)電機(jī)線棒堵塞、鐵芯局部過熱、線棒局部過熱等原因，對該機(jī)組長期運(yùn)行提供了技術(shù)支撐，確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。該文對大型發(fā)電機(jī)此類型缺陷的原因查找和處理具有重要參考意義。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī) ?線棒 ?層間溫差

一、 引言

大型發(fā)電機(jī)在運(yùn)行期間，定子線棒溫度出現(xiàn)異常時，如果不及時進(jìn)行分析并處理，嚴(yán)重時將引起線棒過熱而燒壞發(fā)電機(jī)，造成嚴(yán)重的設(shè)備故障和經(jīng)濟(jì)損失。因此，發(fā)電機(jī)線棒溫度的監(jiān)測及出現(xiàn)異常時的及時處理，對發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有十分重要的意義。

二、 概述

1、異常情況描述

某核電站1000MW汽輪發(fā)電機(jī)在滿功率運(yùn)行狀態(tài)下，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子線棒層間溫度最高74.3℃ ?，最低 ?61.2℃，溫差達(dá)13.1℃。且各點(diǎn)溫度不均勻，溫度超過70℃的有6個點(diǎn)，溫度低于63℃的有9個點(diǎn)，多點(diǎn)溫差均超過了8℃。上、下層線棒出水溫度十分均勻，上層出水平均溫度62.87℃，下層出水平均溫度61.13℃（見圖1）。經(jīng)查看歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在發(fā)電機(jī)短路、空載及升降功率過程中，層間溫度均存在較大溫差。

該發(fā)電機(jī)生產(chǎn)廠家及技術(shù)文件均未對線棒層間溫差作任何規(guī)定，但是根據(jù)《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》中明確要求：“制造廠未明確規(guī)定的，如定子線棒層間最高與最低溫度間的溫差達(dá)8℃或定子線棒引水管出水溫差達(dá)8℃時應(yīng)報(bào)警，應(yīng)及時查明原因，此時可降低負(fù)荷。定子線棒溫差達(dá)14℃或定子引水管出水溫差達(dá)12℃，或任一定子槽內(nèi)層間測溫元件溫度超過90℃或出水溫度超過85℃時，在確認(rèn)測溫元件無誤后，應(yīng)立即停機(jī)處理”。

2、 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡介

該電廠1000MW發(fā)電機(jī)型號為TA1100-78，冷卻方式為水氫氫冷卻，由東方電機(jī)廠采用ALSTOM技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。定子鐵芯共48個線槽，每槽布置上、下兩層線棒。每根線棒內(nèi)部分散布置16根不銹鋼空心管道，用于通水冷卻線棒，線圈內(nèi)部采用540度羅貝爾換位結(jié)構(gòu)。

冷卻水從發(fā)電機(jī)勵磁側(cè)環(huán)形進(jìn)水匯流管通過聚四氟乙烯絕緣引水管流入定子繞組，再從引水管流入汽端環(huán)形出水管。上層和下層繞組均有獨(dú)立的水支路，共有48個并聯(lián)的繞組水支路，另有6路冷卻水從勵磁側(cè)的環(huán)形進(jìn)水匯流管進(jìn)入，通過絕緣引水管流經(jīng)繞組端部連接線、主引線、出線瓷套端子和中性點(diǎn)母線后，進(jìn)入冷卻水系統(tǒng)。定冷水箱為密閉式的，系統(tǒng)采用貧氧運(yùn)行。

每個線棒的汽端絕緣引水管與匯水管接頭處均有溫度探頭用來監(jiān)測線棒出水溫度，共96個pt100測溫元件，每個線槽上、下層線棒間在汽端第3段鐵芯處均布置溫度探頭，用來監(jiān)測線棒層間溫度，共48個pt100測溫元件。

三、 原因分析

該機(jī)組層間溫差偏大現(xiàn)象有以下特點(diǎn)：

層間溫度異常點(diǎn)較多，且各點(diǎn)分散無關(guān)聯(lián)性，見圖1。

不僅存在溫度偏高異常點(diǎn)，同時也存在溫度偏低異常點(diǎn)，見圖1。

各溫度異常點(diǎn)（壞點(diǎn)除外）溫度變化趨勢正常。

層間線棒出現(xiàn)溫差存在溫度分界點(diǎn)，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下一般溫度超過30℃后才呈現(xiàn)溫差。

層間溫度異常點(diǎn)對應(yīng)的上、下層線棒出水溫度未見異常，且出水溫度十分均勻，此外鐵芯、銅屏蔽溫度也未見異常。

下面結(jié)合以上特點(diǎn)及發(fā)電機(jī)大修檢查情況對各可能原因進(jìn)行分析。

1、溫度探頭測量的準(zhǔn)確性

在發(fā)電機(jī)定子槽部上下層線棒之間埋置電阻測溫元件以監(jiān)測線棒層間溫度。因發(fā)電機(jī)機(jī)座為密封防爆結(jié)構(gòu)，溫度測量引接線經(jīng)接線柱轉(zhuǎn)接后引出機(jī)外。接線柱兩端采用航空插頭接線方式，可能因接觸不良、信號傳輸異?；驕y溫元件故障影響測溫結(jié)果。此外，測溫探頭及其引線回路在發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，處于一個較強(qiáng)的電磁場環(huán)境中，電磁場的干擾也可能影響溫度測量的準(zhǔn)確性。

為檢查探頭測量是否準(zhǔn)確，進(jìn)行了如下檢查：

（1） 機(jī)組運(yùn)行期間，工作人員在發(fā)電機(jī)航空插頭處和轉(zhuǎn)接箱中測量了各探頭的電阻值，經(jīng)過換算與KIC上顯示的溫度值相比較，結(jié)果完全相符（壞點(diǎn)316MT除外），說明探頭損壞和回路異常的可能性較小;

（2） 機(jī)組大修期間，進(jìn)行了熱水流試驗(yàn)，各溫度測點(diǎn)顯示值均勻，無明顯偏差

（3） 各溫度異常點(diǎn)在發(fā)電機(jī)短路、空載、升功率過程中溫度變化趨勢一致，且經(jīng)分析變化趨勢均正常（個別壞點(diǎn)除外），說明探頭電阻溫度特性良好;

（4） 在穩(wěn)定功率平臺，各層間溫度穩(wěn)定（個別壞點(diǎn)除外）

（5） 停機(jī)狀態(tài)下，各測點(diǎn)溫度一致，無溫差，說明測量回路無異常。

根據(jù)以上幾點(diǎn)綜合分析，除個別壞點(diǎn)，其余測點(diǎn)測量的溫度是準(zhǔn)確的。但是針對是否存在電磁場干擾的問題，目前尚無法確認(rèn)，需進(jìn)一步進(jìn)行排查。層間溫度測溫元件處于強(qiáng)電磁場環(huán)境，原材料中的微量元素（雜質(zhì)）在一定強(qiáng)度的電磁場作用下，會引起材料發(fā)熱，導(dǎo)致電阻增大。一般情況下，如果雜質(zhì)含量低，屏蔽措施好，這個問題并不明顯，所以層間溫度的測量是正常的。如果雜質(zhì)含量增大、屏蔽措施不足，這個問題便會表現(xiàn)的比較明顯，針對該問題目前無具體數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，需進(jìn)一步分析確認(rèn)。

2、發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝原因

該發(fā)電機(jī)線棒測溫元件采用埋入式測溫元件，埋設(shè)在定子槽中上、下層線棒絕緣之間，它測量的是銅導(dǎo)體絕緣外表面的溫度，線棒的主絕緣厚度約5mm，絕緣外表面溫度與線棒銅導(dǎo)體的溫度存在一定的差值，此差值稱為線棒的絕緣溫降。此絕緣溫降在未經(jīng)試驗(yàn)測出之前，在額定負(fù)荷下，一般可用式（1）估算，即

ΔT=kT1（1）

式中ΔT絕緣溫降（k）;k-系數(shù)，取0.5～0.6; T1-絕緣槽壁溫降設(shè)計(jì)值（k）

繞組層間溫度可用式（2）表示

T=T0-ΔT=T0-kT1（2）

式中T為繞組層間溫度，T0為繞組銅導(dǎo)體溫度，ΔT為絕緣溫降

從上式可以看出繞組層間溫度由繞組銅導(dǎo)體溫度和絕緣溫降決定。

繞組銅導(dǎo)體溫度與繞組直阻、繞組電流、冷卻等因素有關(guān)，常見的有線棒異物堵塞或氣堵，導(dǎo)致冷卻不足，繞組銅導(dǎo)體溫度升高。

絕緣溫降的大小與電機(jī)形式、通風(fēng)情況、電流密度、絕緣厚度、絕緣材料種類、絕緣老化程度、檢溫計(jì)尺寸以及埋設(shè)情況等因素有關(guān)。

下面根據(jù)實(shí)際情況，針對一些可能因素進(jìn)行分析。

2.1 發(fā)電機(jī)繞組堵塞導(dǎo)致過熱

從表1洛河發(fā)電廠6#機(jī)的情況可以看出，洛河發(fā)電廠6#機(jī)在滿功率狀態(tài)下， 第12槽層間溫度比其他槽層間溫度高10.2℃，且12槽上、下層線棒出水溫度未見異常，后經(jīng)核實(shí)確認(rèn)12槽線棒存在堵塞現(xiàn)象（見表1）。在線棒出現(xiàn)輕微堵塞時，層間溫度升高，上、下線棒出水溫度未必會升高。

但是該核電站的異常情況與洛河發(fā)電廠6#機(jī)相比，存在很多差異：

（1） 該機(jī)組層間溫差異常高的點(diǎn)較多，通過該核電站1#機(jī)組的參數(shù)對比分析來看，線棒層間溫度正常值約65℃，據(jù)此來看，溫度異常偏高的點(diǎn)多達(dá)20個。如果是由于線棒堵塞造成的，這么多的線棒堵塞必然會導(dǎo)致定子冷卻水流量下降，但是事實(shí)上定冷水流量并未變化。

（2） 經(jīng)查發(fā)電機(jī)定子線棒水流量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，流量分配基本均勻，符合流量試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。且發(fā)電機(jī)定子出水溫度基本分布均勻，并與水流量分配試驗(yàn)結(jié)果和層間溫度分布沒有規(guī)律性。

（3） 發(fā)電機(jī)定子繞組由實(shí)心銅線和空心銅線交叉組成，容易出現(xiàn)線棒腐蝕而出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。該核電站發(fā)電機(jī)線棒結(jié)構(gòu)與案例中發(fā)電機(jī)線棒結(jié)構(gòu)有差異，每根線棒內(nèi)部分散布置16根不銹鋼空心管道（見圖2），整個線棒被均勻冷卻，即使某一個管道出現(xiàn)局部堵塞，層間溫差也不會這么大。

（4） 除了異常偏高點(diǎn)外，還有9個異常偏低點(diǎn)，線棒堵塞基本是不會導(dǎo)致層間溫度偏低的。

綜合以上幾點(diǎn)分析，認(rèn)為該發(fā)電機(jī)不存在線棒堵塞現(xiàn)象。

2.2 絕緣溫降的影響

2.2.1絕緣厚度、材料、老化影響

根據(jù)計(jì)算，在銅導(dǎo)體絕緣層之間，溫度梯度呈非線性變化。愈接近銅導(dǎo)體，絕緣層溫度越高;愈靠近線棒外表面，則愈低。因此絕緣層的厚度將直接影響線棒繞組絕緣溫降。線棒主絕緣厚度均按標(biāo)準(zhǔn)5mm制造，且線棒制造工藝成熟，線棒不同部位絕緣厚度不一致的可能性極低。同一機(jī)組所用絕緣材料應(yīng)該是一致的，且這是一臺新機(jī)組，絕緣基本不存在老化的現(xiàn)象。而且熱水流試驗(yàn)也從一定角度證明了，線棒的絕緣溫降基本是一致的。因此可基本排除絕緣厚度、材料、老化的影響。

2.2.2線棒絕緣局部過熱

當(dāng)線棒局部發(fā)生電暈、電腐蝕產(chǎn)生高熱，對絕緣材料形成熱、機(jī)械、化學(xué)損傷，引起絕緣層局部過熱，而且絕緣溫將也將降低，可能導(dǎo)致層間溫度偏大。

線棒絕緣局部過熱時，會分解出一些熱解粒子并擴(kuò)散到氫氣中，發(fā)電機(jī)絕緣過熱裝置檢測到熱解粒子后，原離子電流將大幅度降低，示數(shù)低于50%將發(fā)出報(bào)警信號。此外，若存在局部放電，局放監(jiān)測裝置監(jiān)測的局放量也會異常升高。但經(jīng)查看絕緣過熱裝置和局放裝置數(shù)據(jù)，均未發(fā)現(xiàn)異常。所以絕緣局部過熱的可能極低。

3、 探頭安裝工藝

線棒表面絕緣的溫度分布是不一致的，線棒兩側(cè)的絕緣緊挨著鐵芯，受氫氣和鐵芯溫度的影響，溫度較低，與鐵芯溫度相近。而層間絕緣溫度較高，且受鐵芯和氫氣影響的程度跟位置有關(guān)系，越靠近層間絕緣中心線的位置，影響越小，溫度越高。越靠近鐵芯側(cè)，受到的影響越大，溫度越低。查看數(shù)據(jù)可知，層間絕緣溫度比鐵芯溫度高約20℃，鐵芯最高溫度數(shù)據(jù)顯示只有50℃，而層間絕緣溫度最高點(diǎn)約為73℃。

層間溫度探頭埋設(shè)在兩線棒絕緣之間（如圖2），探頭與線棒對稱平行布置，且壓緊不可移動。如果各測點(diǎn)探頭安裝的相對位置不一致，可能導(dǎo)致測量的溫度存在差異。探頭安裝在層間絕緣中心線處，所測得的溫度最高，安裝位置越靠近鐵芯側(cè)，所測得溫度越低，因?yàn)槭艿綒錃夂丸F芯溫度的影響越大。因此，探頭的安裝工藝可能影響層間溫度的測量，導(dǎo)致層間溫差偏大。

四、 結(jié)束語

該電站發(fā)電機(jī)是2013年并網(wǎng)商運(yùn)，在工程安裝調(diào)試期間空載試驗(yàn)時，就存在定子繞組線棒層間絕緣溫差偏大的現(xiàn)象，通過對水流量試驗(yàn)、熱水流試驗(yàn)、短路試驗(yàn)、空載試驗(yàn)和在線監(jiān)測裝置監(jiān)測結(jié)果等綜合分析、論證，排除了發(fā)電機(jī)線棒局部堵塞、定子鐵芯局部過熱、線棒絕緣局部過熱等影響發(fā)電機(jī)運(yùn)行的嚴(yán)重故障模式，得出該發(fā)電機(jī)可繼續(xù)保持運(yùn)行的結(jié)論，并運(yùn)行至今，未發(fā)現(xiàn)線棒層間溫差有擴(kuò)大趨勢，對查找和處理此類型缺陷具有重要參考意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 《發(fā)電機(jī)定子線棒層間溫度單點(diǎn)異常升高分析及處理》安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào) ?1672-9706（2012）O1.0082.03 ?陳國棟

[2] 《大型發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)、制造與運(yùn)行》汪耕、李希明等，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社

作者簡介：

施俊峰（1988-），男，福建，電氣系統(tǒng)工程師，本科，主要從事核發(fā)電機(jī)設(shè)備管理和檢修工作，（E-mail）shijunfeng@cgnpc.com.cn

尚新建（1980-）福建，電氣系統(tǒng)工程師，本科，主要從事核發(fā)電機(jī)設(shè)備管理和檢修工作，（E-mail）shangxinjian@cgnpc.com.cn

趙 ?波（1986-）福建，電氣系統(tǒng)工程師，本科，主要從事核電氣系統(tǒng)設(shè)備管理工作，（E-mail）zhaobo@cgnpc.com.cn