水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁極裝配絕緣偏低問題處理

鄧海剛，梁紹龍，付國宏，王 明

(中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

由于機組運行年限太久，國內(nèi)某電站大型水輪發(fā)電機進行了增容改造。該水電站某機型機組增容完成后主要技術(shù)參數(shù)為：額定容量166.67 MVA，額定有功功率150 MW，額定功率因數(shù)為0.9，頻率50 Hz，定子額定電壓：13.8 kV，定子額定電流6 972.8 A，轉(zhuǎn)子額定電壓475 V，轉(zhuǎn)子額定電流1 720 A，絕緣等級為F級。

為了使改造后的轉(zhuǎn)子勵磁回路電流密度與絕緣等級要求都能夠達到改造增容后設(shè)計標準，在該電站機組改造增容過程中，對轉(zhuǎn)子磁極進行了改造工作。保留了原磁極鐵芯，更換了磁極線圈和極身絕緣[1]。

水輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)子絕緣降低會嚴重影響水電站的正常運行[2]。在發(fā)電機轉(zhuǎn)子安裝或改造過程中，磁極作為轉(zhuǎn)子的核心部件之一，其絕緣狀態(tài)市場對轉(zhuǎn)子整體的絕緣性能起著決定性作用[3]。本文分析了在該水電站某機型機組在轉(zhuǎn)子磁極改造過程中，磁極現(xiàn)場裝配完成后絕緣電阻偏低問題，并提出了相關(guān)處理措施和建議。

1 轉(zhuǎn)子磁極繞組及其絕緣結(jié)構(gòu)介紹

改造后磁極線圈繞組由銅排經(jīng)專用繞線機繞制成形，然后放置于真空罐無氧退火后整形而成。線圈端部四個角部呈圓弧狀，磁極接頭采用銀銅焊接。磁極線圈匝間墊以F級絕緣材料，與銅排熱壓成整體結(jié)構(gòu)；繞組匝間絕緣與相鄰匝完全粘合且突出每匝線圈表面。首末匝有防爬電的絕緣托板，線圈與絕緣托板熱壓成一整體，如圖1所示。為了更好地散熱，磁極線圈采用異型銅排，使繞組外表面形成帶散熱翅的冷卻面。

圖1 磁極線圈照片

磁極極身絕緣采用在鐵芯表面繞包兩層0.25 mm厚的NOMEX絕緣紙，層間涂刷室溫固化環(huán)氧膠方式；角部加強絕緣為繞鐵芯一圈、沿極靴的角部處(極身絕緣與極靴接觸處)呈“L”型粘貼的聚酰亞胺薄膜粘帶，為保證極身絕緣的可靠性，在絕緣紙外面還配置一層環(huán)氧板絕緣，環(huán)氧板分三部分：直線段環(huán)氧板及兩端“U”形環(huán)氧板，直線段環(huán)氧板與“U”形環(huán)氧板搭接處內(nèi)外表面布置絕緣紙，并用聚酰胺粘膠粘接牢靠，如圖2所示。

圖2 磁極極身絕緣照片

為了保證磁極線圈良好固定，在運行中不會發(fā)生串動現(xiàn)象，磁極與鐵芯間間隙采用以厚度適宜的F級高強度層壓玻璃布板分段塞緊。磁極端部處線圈與鐵芯間間隙較大，采用浸漬室溫固化環(huán)氧膠的滌綸毛氈進行填塞。為防止異物、粉塵、潮氣進入磁極口部間隙影響磁極運行壽命及絕緣性能，在磁極線圈與鐵芯間隙塞緊后，磁極口部間隙采用硅酮硅橡膠-羅納星68完全封堵方式。

2 問題描述

某水電站某機型機組在改造增容期間，磁極裝配完成后，在掛裝前進行電氣試驗檢驗。根據(jù)國標GB/T8564-2003《水輪發(fā)電機組安裝技術(shù)規(guī)范》[4]，其試驗要求為：①單個磁極掛裝前絕緣電阻不小于5 MΩ；②單個磁極掛裝前耐壓為10Uf+1 500 V，但不得低于3 000 V，耐壓時間為1 min。

本次試驗采用2 500 V兆歐表測量轉(zhuǎn)子磁極絕緣電阻，該機組共96個磁極，測量過程中發(fā)現(xiàn)約有1/2的磁極絕緣電阻偏低，阻值小于200 MΩ，但仍滿足國標要求，另外還有10個磁極阻值小于5 MΩ。不滿足國標要求。絕緣電阻試驗統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 磁極掛裝前絕緣電阻試驗結(jié)果統(tǒng)計表

該機組額定勵磁電壓為475 V，因此耐壓10Uf+1 500 V(即6 250 V)。對阻值大于5 MΩ的磁極進行耐壓試驗，其中編號為31、37、56、59、72的5個磁極在首次耐壓試驗過程中發(fā)生了擊穿現(xiàn)象，該5個磁極耐壓前絕緣電阻試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 發(fā)生擊穿的磁極掛裝前絕緣電阻試驗數(shù)據(jù)表

3 原因分析

磁極極身絕緣采用了NOMEX紙和環(huán)氧板雙重絕緣，且在極身絕緣加熱固化后施工人員進行過仔細檢查，固化效果良好，因此判斷磁極極身出現(xiàn)故障的概率較小。實際上，在線圈套裝后，磁極線圈端部未填塞滌綸氈前，施工人員測量了磁極絕緣電阻，阻值均達到了500 MΩ以上。磁極口部間隙封堵采用的硅酮硅橡膠也進行過檢查，其絕緣性能也是良好的，故初步分析故障原因在磁極端部的間隙填塞上。

為分析磁極絕緣電阻偏低原因，現(xiàn)場施工人員將耐壓試驗擊穿的5個磁極進行了解體，從解體后的情況可以看出，擊穿點均發(fā)生在磁極線圈上下端部，且在鐵芯靴部端部有環(huán)氧膠堆積，如圖3所示，檢查發(fā)現(xiàn)此處環(huán)氧膠并未完全固化。

圖3 磁極擊穿點情況照片

因此，分析認為填充的室溫固化環(huán)氧膠并未完全固化，是造成磁極耐壓試驗擊穿及磁極絕緣電阻不合格的主要原因。按照工藝要求，磁極線圈端部與極身絕緣之間的間隙用浸漬室溫固化環(huán)氧膠的滌綸氈填充，填充后在60～80℃的溫度下干燥8 h?，F(xiàn)場施工時，浸漬室溫固化環(huán)氧膠的滌綸氈在填塞過程中，環(huán)氧膠被擠出滌綸毛氈并順著線圈及環(huán)氧板表面往下流，并向磁極靴部擴散，由于磁極角部絕緣未全部覆蓋磁極靴部(如圖4所示)，環(huán)氧膠可能與磁極鐵芯相接觸，若環(huán)氧膠未完全固化，則在耐壓試驗時很容易擊穿。

圖4 磁極角部絕緣圖

現(xiàn)場施工過程中，每個磁極裝配完成后均按照要求在加熱棚內(nèi)干燥了8 h以上，但仍然存在室溫固化環(huán)氧膠并未完全固化，造成絕緣電阻不合格和交流耐壓試驗擊穿的情況。根據(jù)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場施工工藝情況進行了分析，認為環(huán)氧膠未完全固化主要有以下幾個原因：

1)施工所使用的室溫固化浸漬環(huán)氧膠在常溫下固化很慢?，F(xiàn)場施工人員曾做過試驗，當配置的環(huán)氧膠放在紙杯里堆積較多時，在室溫環(huán)境下完全固化需達到1個月以上。

2)磁極端部處間隙較大(見圖5)，需填塞較大體積的滌綸氈，且此處使用的環(huán)氧膠流動性較大，浸漬室溫固化環(huán)氧膠的滌綸氈在填塞前已擰干，但由于受到擠壓和重力作用，留在滌綸氈中的部分環(huán)氧膠仍然往下流至磁極靴部，造成在磁極兩端鐵芯靴部的環(huán)氧膠堆積，由于是在磁極內(nèi)部，空氣流動性差，潮氣不易消散，使得環(huán)氧膠不易固化。

圖5 磁極端部處的間隙照片

3)現(xiàn)場施工搭設(shè)的加熱棚較為簡陋，保溫效果較差。現(xiàn)場搭設(shè)的加熱棚由于無法完全密封，加上熱風機有限，無法使被加熱的磁極均勻達到60～80℃的溫度要求，因此磁極干燥時間雖然達到了工藝要求，但是加熱溫度可能偏低。

4 處理措施

4.1 絕緣電阻偏低的磁極加熱烘干

按照國標GB/T8564-2003《水輪發(fā)電機組安裝技術(shù)規(guī)范》要求，單個磁極絕緣電阻小于5 MΩ為不合格，需進行處理。考慮到磁極環(huán)氧膠未固化容易導(dǎo)致其耐壓時擊穿，現(xiàn)場實際上對絕緣電阻小于200 MΩ的所有磁極都進行了處理。處理方法為：鏟掉磁極口部間隙封堵的硅酮硅橡膠，重新在加熱棚進行加熱，直至絕緣電阻滿足要求為止(此處要求大于200 MΩ)；對于在加熱棚加熱后絕緣電阻仍不滿足要求的磁極，拖運至烘房內(nèi)加熱直至絕緣滿足要求，烘房溫度設(shè)置為80℃。絕緣電阻偏低的所有磁極線圈經(jīng)重新加熱烘干，絕緣電阻合格后，再次進行耐壓試驗，全部通過。

在處理過程中，有十幾個磁極經(jīng)烘房加熱2～3 d烘干處理后，其磁極磁極絕緣電阻才滿足要求，可見按照目前的工藝要求施工，即磁極絕緣裝配完成后，在60～80℃的溫度下干燥8 h，很多磁極的絕緣電阻仍很難達到標準要求。

4.2 對交流耐壓試驗中擊穿的磁極重新裝配

對交流耐壓試驗中擊穿的5個磁極進行了解體，重新按照廠家工藝裝配后，在烘房內(nèi)加熱，烘房溫度設(shè)置為80℃，加熱至絕緣電阻滿足要求。重新測量磁極絕緣電阻，均合格，耐壓通過。處理后絕緣電阻試驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 發(fā)生擊穿的磁極處理后絕緣電阻試驗數(shù)據(jù)表

5 改進建議

按照目前的磁極結(jié)構(gòu)及裝配工藝，要保證磁極絕緣電阻全部滿足要求，需將所有磁極放置在烘房內(nèi)持續(xù)加熱，工藝復(fù)雜，所需工期長。改進建議如下。

5.1 設(shè)計改進

磁極端部處線圈與鐵芯間隙大，需填塞較多浸膠滌綸氈，不可避免會造成在極靴位置環(huán)氧膠流膠堆積，不易固化。建議采用特定形狀的環(huán)氧塊代替滌綸氈填充磁極線圈與主絕緣間的間隙，采用滌綸毛氈包裹環(huán)氧塊的方式填塞間隙，僅需要用到少量的環(huán)氧膠，避免了環(huán)氧膠的堆積，從根本上解決了環(huán)氧膠堆積不固化的現(xiàn)象。

5.2 工藝改進

1)目前使用的室溫固化浸漬環(huán)氧膠流動性大、滲透性強，固化時間長?？煽紤]采用滲透性強、流動性差、固化時間短的環(huán)氧膠[5]，避免因為環(huán)氧膠不易固化造成絕緣電阻不合格的問題。

2)裝配磁極角部絕緣時，將“L”型粘貼的聚酰亞胺薄膜粘帶加寬，使其全部覆蓋磁極靴部，這樣即使環(huán)氧膠擴散到磁極靴部也不會與磁極鐵芯接觸。采取此方案，即使環(huán)氧膠未完全固化，由于聚酰亞胺薄膜粘帶絕緣性能良好，其絕緣電阻仍會滿足要求，待掛裝后隨著時間推移環(huán)氧膠會自然晾干，對施工工期緊張時的項目是個好的應(yīng)急辦法。缺點是此時磁極絕緣依賴于聚酰亞胺薄膜粘帶的絕緣性能，對聚酰亞胺薄膜粘帶的粘接工藝要求較高。

3)現(xiàn)場施工應(yīng)搭設(shè)密封好、空間大的加熱棚，配備足夠的熱風機，從而保證加熱棚的溫度，保障加熱效果。

4)室溫固化浸漬環(huán)氧膠嚴格按照使用規(guī)范配制，浸膠滌綸氈在填塞間隙時應(yīng)晾至半干，避免留存的環(huán)氧膠流動堆積。

6 結(jié) 語

文中所述水輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)子磁極裝配時絕緣電阻偏低或磁極擊穿問題，檢查分析與磁極設(shè)計缺陷及施工工藝有關(guān)，主要原因為磁極裝配完成后室溫固化環(huán)氧膠并未完全固化。對絕緣電阻偏低及耐壓時擊穿的磁極進行了處理，并提出改進建議，確保了機組安裝質(zhì)量，保證了機組安全穩(wěn)定運行，對其他電站具有較好的借鑒意義，為今后大型水輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子磁極在設(shè)計、制造、安裝工藝方面提供了一些經(jīng)驗。