燈泡貫流式水力發(fā)電機組絕緣保持研究與思考

何 滔，汪廣明

(國家能源大渡河沙坪發(fā)電有限公司，四川 樂山 614300)

沙南電站位于大渡河干流中下游，總裝機6×58 MW的燈泡貫流式機組，是目前國內(nèi)單機容量最大的燈泡貫流式機組。

據(jù)沙南所處地理位置當?shù)貧庀蟛块T歷年資料顯示，多年平均氣溫16.3℃，各月平均氣溫在6.5℃～25.1℃之間，極端最高氣溫37.6℃，發(fā)生在8月份，極端最低氣溫-3.2℃，出現(xiàn)在12月。多年平均相對濕度77%，各月平均相對濕度在72%～82%之間，九、十月份月平均相對濕度最大為82%，三、四月平均相對濕度最小為72%，各月最小相對濕度為14%，發(fā)生在六月份。貫流式機組的結(jié)構(gòu)特性與所處環(huán)境的溫濕度是燈泡貫流式發(fā)電機組絕緣降低的主要影響因素之一[1]。

隨著電網(wǎng)能源的豐富和多樣化，西部水電的大規(guī)模開發(fā)，水電資源富裕，水電設(shè)備利用小時數(shù)降低，大量機組長時間處于停機備用狀態(tài)。為了保持機組絕緣合格，多機組帶少量負荷已成常態(tài)，對機組造成極大的浪費且長時間的累積后，導致機組狀態(tài)不穩(wěn)定，對機組的損傷也逐漸加大。設(shè)備利用時間的下降，也是影響機組絕緣的因素之一[2]。

1 燈泡貫流式發(fā)電機組特征

燈泡貫流式水輪發(fā)電機組是一種應用于低水頭電站的機型，由于這種機型結(jié)構(gòu)特殊，機組運行環(huán)境與普通立式機組環(huán)境有很大不同，燈泡貫流式水輪機采用臥軸燈泡式，與位于流道上游燈泡體內(nèi)的發(fā)電機相連接，發(fā)電機被安置在完全密封的燈泡型殼體內(nèi)，燈泡體成為水輪機流道的組成部分。機組的發(fā)電機密封安裝在水輪機上游側(cè)燈泡型的金屬殼體中，發(fā)電機水平方向安裝，水輪機和發(fā)電機采用同軸結(jié)構(gòu)，整個機組為雙支點雙懸臂以管型座為主要支承的燈泡貫流式布置方式，發(fā)動機主軸直接連接水輪機轉(zhuǎn)輪。燈泡貫流式水輪機組的水輪機部分由轉(zhuǎn)輪室、導葉機構(gòu)、轉(zhuǎn)輪、尾水管組成；發(fā)電機軸直接連接到轉(zhuǎn)輪，一同安裝在鋼制燈泡外殼上，發(fā)電機在燈泡殼內(nèi)，轉(zhuǎn)輪在燈泡尾端[3]。支持環(huán)固定在燈泡外殼上，轉(zhuǎn)輪端軸承固定在燈泡尾端外殼上，發(fā)電機軸前端連接到電機滑環(huán)與轉(zhuǎn)輪變槳控制的油路裝置。機組的水導軸承、推力軸承都布置在燈泡體內(nèi)，所有的電纜、冷卻水管道、油管、制動器管道等都是通過燈泡豎井和燈泡體支承的空心部分與外界相連。沙南電站水輪機及發(fā)電機部分參數(shù)如表1、表2所示。

表1 水輪機部分參數(shù)表

表2 發(fā)電機部分參數(shù)表

1.1 發(fā)電機組定子特征

定子線圈采用雙層條式波繞組或疊繞組，Y形接線。F級絕緣結(jié)構(gòu)，主絕緣采用桐馬粉云母帶，防暈層直線部分為低阻，端部為高阻，主絕緣和防暈層一次熱壓固化模壓成型，定子線圈嵌線時槽內(nèi)襯以桐馬低阻半導體玻璃布及采用滌綸氈適形墊條，以此保證線圈在嵌線入槽內(nèi)的緊量。定子線圈接頭條用銀合金焊接。線圈端箍采用非磁性材料。沙南電站定子繞組采用二支路星形波繞組結(jié)構(gòu)，其主引出線由進人筒引出后進入廠房與主變連接。

定子穿心螺桿絕緣電阻用500 V搖表測量絕緣值不小于25 MΩ。定子線棒的耐壓試驗：單根定子下層線棒的交流耐壓標準為2.75Ue+2.5 kV；定子上層線棒交流耐壓試驗為2.5Ue+1.0 kV。

發(fā)電機定子繞組為F級絕緣，溫度不得超過155℃，溫升不得超過80 K，正常運行時一般保持線圈溫度在26℃～75℃之間運行。

發(fā)電機定子絕緣應使用2 500 V搖表測量，絕緣電阻不得低于1.05，吸收比應大于1.6，方認為發(fā)電機定子絕緣合格，機組可以運行。

1.2 發(fā)電機轉(zhuǎn)子特征

轉(zhuǎn)子是變換能量和傳遞扭距的主要部件，有顯露的磁極，勵磁繞組為集中繞組，勵磁電流可有同軸的直流勵磁機或靜止可控硅勵磁裝置供給。主要由大軸、轉(zhuǎn)子支架、磁軛、磁極等部件組成。

轉(zhuǎn)子磁軛采用支架磁軛結(jié)構(gòu)。磁軛通過鍵或熱套等方式與轉(zhuǎn)軸連成一個整體，用于小容量機組。沙南電站采用筒式熱套方式。

集電環(huán)支架固定在轉(zhuǎn)子支架上，以銷釘定位。磁極引線應為銀焊銅排。其截面應至少比最大勵磁電流所要求的銅截面大30%。電刷固定端的連接為銀焊銅編織帶。集電環(huán)其絕緣電阻應不小于5 MΩ，檢修時如果要進行耐壓試驗，其耐壓值為4 350 V。

發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈為F級絕緣，溫度不得超過155℃，溫升不得超過85 K，運行中用電壓、電流法進行監(jiān)視，所求得的溫度應小于或等于允許溫度。

轉(zhuǎn)子絕緣測量應使用500 V搖表，絕緣電阻不得低于0.5 ，即發(fā)電機轉(zhuǎn)子絕緣合格，機組可以運行。

2 對定轉(zhuǎn)子絕緣保持的思考

2.1 外部設(shè)備外加電流發(fā)熱

將水輪發(fā)電機定子繞組首尾順次連接，外部直流電源接入定子繞組，所需電壓值根據(jù)發(fā)電機定子繞組的直流電阻和所需電流大小確定。外接直流電源線路上同時接入變阻器調(diào)節(jié)電流及電壓，不應使用閘刀開關(guān)或自動開關(guān)切斷電流，應使用變阻器梯度降低電壓的方法切斷電源，以避免瞬時過電壓擊穿絕緣。用此方法干燥定子繞組絕緣時，應隨時檢查定子鐵芯、線圈溫度，烘干過程還應關(guān)注局部溫度，避免局部過熱[4]。

2.2 通過除濕機與加熱器

在發(fā)電機定子上下游側(cè)設(shè)有加熱器，加熱器在停機時能自動投入，機組運行時能自動退出。

安裝通過對發(fā)電機艙內(nèi)溫度、濕度設(shè)定，使定轉(zhuǎn)子處于可控環(huán)境內(nèi)來維持定轉(zhuǎn)子絕緣電阻。沙南外部安裝除濕機部分參數(shù)如表3所示。

表3 除濕機具體參數(shù)表

兩臺機組共用一臺除濕機，通過手動切換閥控制。安裝除濕機后機組多次進行開停機操作，在開機前對定轉(zhuǎn)子絕緣進行測量。使用結(jié)果如表4、圖1所示。

表4 絕緣電阻數(shù)據(jù)表

2.3 停機在線絕緣監(jiān)測

大型發(fā)電機在線監(jiān)測一般采用電測法，發(fā)電機定子繞組局部放電主要有三種類型：內(nèi)部放電、端部放電和槽間放電。三種放電類型形成的機理不同，放電強度也有所不同。預計監(jiān)測效果如圖2所示。

圖1 某機組停機后定子鐵芯與繞組溫度變化圖

圖2 某機組停機后GCB某相各段溫度變化圖

2.4 定時空轉(zhuǎn)機組方式

在水輪機不加勵磁電流、不建壓的情況下，通過水輪機空轉(zhuǎn)產(chǎn)生空氣流動，使其發(fā)熱，自然風干內(nèi)部水分和濕氣。

2.5 適當改善冷卻方式

發(fā)電機冷卻系統(tǒng)采用一次水循環(huán)直接冷卻方式，通風系統(tǒng)采用密閉強迫自循環(huán)混合方式，發(fā)電機冷卻及通風系統(tǒng)采用一次水循環(huán)直接冷卻方式，發(fā)電機冷卻及通風系統(tǒng)由軸向流通風機、空氣冷卻器、相關(guān)管路及元器件組成。在發(fā)電機的上游側(cè)安裝8臺軸流風機，將由8臺空氣冷卻器冷卻水冷卻后的冷風加壓后送入發(fā)電機，形成相對密閉自循環(huán)的風路，通過密閉自循環(huán)強迫空氣冷卻方式達到對發(fā)電機定轉(zhuǎn)子冷卻降溫的目的。沙南空冷風及定子鐵芯、繞組溫度運行參數(shù)值如表5所示。

表5 空冷風及定子鐵芯、繞組溫度運行參數(shù)值表

氣動動力學和熱力學中對冷卻空氣壓力和空氣溫升做出了規(guī)定：在其他條件恒定的情況下，冷卻空氣壓力P與空氣的溫升ΔT成反比，即ΔT=κ/P，κ為一個系數(shù)。且冷卻空氣壓力P與空氣散熱系數(shù)α間存在以下關(guān)系：α=κ(PV)0.75，即空氣壓力P越大，空氣散熱系數(shù)α也越大。通過風機強迫空氣循環(huán)，將發(fā)電機產(chǎn)生的熱量帶走，貼燈泡體內(nèi)壁流通，將熱量直接傳遞給河水。增壓通風冷卻方式需在燈泡內(nèi)裝多臺軸流式風機，使空間減少，同時給維護、檢修帶來不便[5]。

密閉強迫自循環(huán)混合冷卻方式也會將一定的水分和濕氣帶入發(fā)電機，在降溫的同時也會一定程度的影響機組絕緣。通過適當改善冷卻方式，將濕氣與水分做科學精細的控制，一定程度上保持機組絕緣。沙南使用效果如圖3所示。

圖3 某機組停機后空冷溫度變化圖

2.6 采用特殊材料或外部加熱干燥

發(fā)電機艙內(nèi)壁涂刷防結(jié)露漆，在定子機座底部設(shè)排水槽，外接排水管通至廠房排水溝。定子繞組受潮時會導致整體絕緣下降。受潮原因是發(fā)電機及其附屬設(shè)備不完全密封，濕度高時，特別是夏季陰雨天氣，定子繞組出口及中性點引出線處支持瓷瓶表面易結(jié)露形成水珠、水膜、使定子繞組整體絕緣降低，且水珠潮氣極易具有導電性，造成絕緣值降低。導致發(fā)電機在停運狀態(tài)下極易受潮，主要表現(xiàn)在泄漏電流顯著增加、絕緣電阻顯著降低[6]。

絕緣材料影響著發(fā)電機使用的安全性和可靠性，在長期的現(xiàn)場運行中，發(fā)電機由于受到電氣故障、溫度、摩擦和機械振動的共同作用以及不同外部環(huán)境條件的影響，其定子繞組以及鐵芯疊片之間的絕緣部分會逐漸產(chǎn)生老化，絕緣電阻值下降。

根據(jù)實際條件，也可適當選擇外部加熱干燥的方法，選擇合適的熱源，對發(fā)電機繞組與鐵芯進行加熱，使發(fā)電機內(nèi)水分蒸發(fā)。應用此方法應注意熱源與定子之間的距離，避免局部過熱。

3 結(jié) 語

燈泡貫流式機組由于其結(jié)構(gòu)的特殊性造成其發(fā)電機絕緣保持存在一些有待完善的部分。從源頭上來說，目前機組停機后對絕緣的監(jiān)測手段較少，應加強停機后對機組的絕緣監(jiān)測以及各關(guān)鍵部位的溫度、濕度監(jiān)測，對機組停機后絕緣的變化采集數(shù)據(jù)量化，形成更直觀的判斷。從解決方法來說，可通過自身實際情況，選擇合適的絕緣保持方法，來保證機組絕緣合格，保障廠站出力能力和機組健康。