水輪發(fā)電機定子絕緣盒溢膠缺陷分析及處理

侯忠

（中國水電—薩格瑪塔電力有限公司，尼泊爾 999098）

1 概述

某水電站位于國外1條主河流道的最大支流上；項目由一家中國海外公司采用國際標準或等效的中國標準全流域整體規(guī)劃，分階段投資開發(fā)建設(shè)和運營。7座梯級電站分兩期進行開發(fā)，總裝機容量達128萬kW，多年平均發(fā)電量50億kW·h，總投資約28億美元；為BOT（建設(shè)、運營、轉(zhuǎn)讓）項目，特許運營期為27 a。一期開發(fā)了3座電站，裝機容量為540 MW；二期開發(fā)了4座電站，裝機容量為740 MW。

某水電站為該流域梯級電站的第三級，裝有3臺7萬kW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組，水輪發(fā)電機組及其附屬設(shè)備由浙富控股集團股份有限公司制造，同步發(fā)電機型號為SF70—52/9730，額定水頭26.5 m，額定轉(zhuǎn)速115.4 r/min。

該電站水輪發(fā)電機定子繞組為雙層條式波繞組、2支路星形連接。繞組電磁線采用先進的雙玻璃絲包燒結(jié)銅扁線，繞組絕緣為F級；線棒主絕緣采用VPI工藝。在線棒與線棒之間及鐵心軛部內(nèi)均埋置電阻測溫元件，以監(jiān)測發(fā)電機運行時繞組和鐵心的溫升。定子線棒換位方式采用槽內(nèi)360°羅貝爾換位，以降低附加損耗和均衡線棒中股線間的溫差。3臺機組于2020年9月份全部投產(chǎn)發(fā)電，其定子繞組并頭采用絕緣盒灌注膠填充密封，在安裝過程中，有可能發(fā)生絕緣盒內(nèi)灌注膠未充分固化的現(xiàn)象，在機組投運過程中出現(xiàn)溢膠，影響機組安全穩(wěn)定運行。

2 現(xiàn)象及原因分析

2.1 溢膠現(xiàn)象

由于該機組于2020年9月份投運，投運時間短，根據(jù)公司“一體化”管理標準的技術(shù)標準，2020年機組枯水期檢修只安排了該機組1次D修，未對機組的定轉(zhuǎn)子進行清掃檢查；只對機組的輔助設(shè)備及公用設(shè)備進行了端子緊固清掃，運行缺陷及安裝遺留缺陷進行消缺；因此未發(fā)現(xiàn)定子端部絕緣并頭盒有溢膠現(xiàn)象。在2021年枯水期該機組的C修過程中，檢修人員打開擋風(fēng)板觀察孔對定子繞組進行檢查時發(fā)現(xiàn)定子上端部靠近中性點附近絕緣并頭盒有溢膠現(xiàn)象，約有40個左右呈連續(xù)性分布；下端靠近出線端附近絕緣并頭盒也有溢膠現(xiàn)象，約有34個左右呈連續(xù)性分布。檢查絕緣并頭盒未開裂、未鼓包、未變色，絕緣盒上端溢膠后形成針孔般的孔洞，下端形成帶狀懸掛在并頭絕緣盒下端。對溢膠進行檢查發(fā)現(xiàn)，溢膠表面已形成黑色的殼，剝開黑色的外殼，內(nèi)部較軟，未固化，略帶黏性。

2.2 原因分析

（1）焊接不良：定子繞組上端部并頭處銀銅焊接不良，回路電阻大，機組運行過程中因發(fā)熱導(dǎo)致灌注膠從該部位溢出。

該機組定子由定子機座、定子鐵心、定子繞組等組成。定子機座為正十六邊形焊接結(jié)構(gòu)，至對邊尺寸11 000 mm，高2 203 mm。定子機座分四瓣運至工地，在工地現(xiàn)場焊接組裝為一體。機座設(shè)頂環(huán)、上環(huán)、中間環(huán)板、大齒壓板，環(huán)間沿圓周等距離布置加強立筋和導(dǎo)風(fēng)板等。機座壁上開有空氣冷卻器窗，主、中引出線孔及測溫引線孔。機座在工廠組焊，組圓再加工內(nèi)腔及大齒壓板，這樣可保證定子鐵心的疊裝精度。上齒壓板采用分塊式齒壓板結(jié)構(gòu)，上、下齒壓板的壓指均采用非磁性材料，以減小漏磁引起的附加損耗導(dǎo)致端部發(fā)熱。定子線棒經(jīng)過現(xiàn)場10%抽檢合格，進行現(xiàn)場下線安裝、并頭焊接等?，F(xiàn)場焊接對焊料、溫度控制、時間控制等關(guān)鍵環(huán)節(jié)工序工藝要求高，要控制好加熱溫度以及焊接的整體時間。如果溫度較高，且釬料出現(xiàn)過強的流動性，增加對母材的溶蝕，就會導(dǎo)致過燒，促使釬焊金屬粒增大；焊縫組織也會有疏松現(xiàn)象，嚴重影響其強度。相反，如果溫度過低，就會延長焊接時間，導(dǎo)致線棒端部絕緣損壞。因此，有可能出現(xiàn)并頭焊接因為工序工藝把握不好出現(xiàn)焊接不好，回路電阻偏大，機組運行過程中并頭發(fā)熱等現(xiàn)象。

（2）灌注工藝不良：填充膠的配比、揉和不均。

該機組定子繞組并頭絕緣盒采用酚醛玻璃纖維壓縮材料4330—1，為德陽東方一力機電設(shè)備有限公司生產(chǎn)，適用于發(fā)電機定子線棒并頭后，在并頭處的灌膠絕緣。該絕緣盒密度：1.7～2.0 g/cm2，拉伸 強 度：≥300 MPa（常 態(tài)），彎 曲 強 度：≥400 MPa（常 態(tài)），體 積 電 阻 率：≥1.0×105MΩ·m（常 態(tài)），表 面 電 阻 率：≥1.0×107MΩ·m（常態(tài)），電氣強度：≥8 MV/m；耐熱性高，可在150℃以上不超過200℃長期使用。在外力作用下不易變形，具有較強的電氣、機械性能，機械強度高，電絕緣性好。外表面平滑，色澤均勻，無氣泡、氣孔和裂紋等缺陷；在機組運行過程中不會出現(xiàn)分層和開裂現(xiàn)象。

為了使絕緣盒與繞組接頭成為一體，需用絕緣灌封膠將填充絕緣盒和接頭之間空間填實。上端絕緣盒灌注膠采用881雙組份灌注膠，為德陽東方一力生產(chǎn)的發(fā)電電機定子條式線圈上端并頭絕緣盒環(huán)氧灌注膠，采用環(huán)氧樹脂作基料，石英粉為填充劑，以聚酰胺作固化劑，具有良好的觸變、填充效果；固化時間：≥≤24 h，介電強度：≥15 MV/m。在配制時，應(yīng)將雙組份混合均勻，并進行充分攪拌，以保證樹脂、固化劑與填料混合均勻。若氣溫偏低，放置時間長，有可能出現(xiàn)結(jié)塊現(xiàn)象，可在60℃左右溫度下進行烘焙，使其熔化，即可使用。下端絕緣盒灌注膠采用879雙組份灌注，為德陽東方一力生產(chǎn)的發(fā)電電機定子條式線圈下端并頭絕緣盒環(huán)氧灌注膠，由低粘度環(huán)氧樹脂、固化劑、特種無機填料等組成；固化時間：≥≤24 h，樹脂含量：＞40%，介電強度：≥15 MV/m。在使用前應(yīng)充分攪拌均勻后方可使用，固化時采用分段逐漸升溫工藝，固化后要使?jié)沧⒓禍?，以防止產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而引起澆注件的開裂。

上下端絕緣盒底密封采用環(huán)氧填充膩子HDJ-18，為德陽東方一力生產(chǎn)的適用于發(fā)電機定子線圈并頭絕緣盒封口填充的膩子，以環(huán)氧樹脂、填料和固化劑為主要成分的室溫固化的雙組分填充膠，具有機械強度高、介電性能好等優(yōu)點。使用前按A∶B

=5∶0.6將A、B兩組分別取出揉合在一起；雙組份混合均勻后填充到絕緣盒內(nèi)。若氣溫低，放置時間長，可能結(jié)塊，可在60℃下烘焙4 h以上使其熔化后仍可使用。

根據(jù)《水輪發(fā)電機定子現(xiàn)場裝配工藝導(dǎo)則》（SL 600—2012）和廠家規(guī)范要求，絕緣盒套入前，應(yīng)徹底清理接頭，檢查絕緣盒外觀質(zhì)量；若有裂紋、氣泡或壁厚小于3 mm者，不得使用。絕緣盒套入后，與繞組端頭絕緣的搭接長度不小于相關(guān)規(guī)定；搭接長度不夠者，可用F級粉云母帶預(yù)先加包接長。澆灌上端絕緣盒內(nèi)環(huán)氧膠時，應(yīng)先放好墊塊，使絕緣盒與并頭套的間隙要均勻，用封口膩子HDJ-18封住底口；待底口封膠固化后開始灌膠。澆灌時，先從盒上澆灌孔中注入1層10～20 mm厚度。固化時間短的環(huán)氧膠，觀察是否泄漏，待24 h固化后進行第二次注膠；操作時應(yīng)緩慢灌注使氣泡充分排除直到灌滿為止，并依據(jù)膠在盒內(nèi)的收縮情況進行補膠。絕緣盒封口膩子（膠泥）HDJ-18是由環(huán)氧樹脂與特種無機填料和固化劑配制而成的室溫固化的雙組份膩子膠，使用時須將A、B兩組份取出揉合均勻，待881灌注膠完全固化后再用HDJ-18環(huán)氧填充膩子填平上端絕緣盒端口；如果881灌注膠和HDJ-18封口膩子在灌膠時揉合不均勻，就會出現(xiàn)固化不完全的狀況，導(dǎo)致機組線棒端部在運行過程中出現(xiàn)溢膠現(xiàn)象。

3 故障診斷

3.1 故障現(xiàn)象診斷

溢膠呈乳滴狀，懸掛在絕緣并頭盒下端部，隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的風(fēng)飛濺在定子鐵心上，呈點狀。溢膠表面有層很薄、呈黑色的殼，內(nèi)部呈橡皮泥狀態(tài)，較柔軟，略帶黏性；剝?nèi)ズ谏耐鈿?，用溫度對溢膠進行緩慢加熱，溢膠未出現(xiàn)熔化的現(xiàn)象。上端絕緣并頭盒溢膠后形成針孔狀的孔洞，通過該孔洞用較細的木簽對絕緣盒內(nèi)部進行探測，溢膠后絕緣盒內(nèi)已形成很多蜂窩狀的空隙，內(nèi)部的灌注膠有的地方較硬，有的地方較軟；絕緣并頭盒未出現(xiàn)開裂、鼓包、變色等現(xiàn)象。因此，該機組定子繞組絕緣并頭盒溢膠有可能發(fā)生在機組安裝啟動試運行到機組投運后的一段時間內(nèi)，溢膠后與機組運行過程中的灰塵接觸，在空氣的作用下氧化變質(zhì)，長時間就在溢膠表面形成了黑色的殼。

3.2 對發(fā)電機定子繞組進行直流耐壓及泄漏電流數(shù)據(jù)測試

A相1μA，B相2μA，C相2μA，持續(xù)耐壓時間為60 s；直流耐壓前繞組絕緣電阻：A相344 MΩ，B相355 MΩ，C相359 MΩ；吸收比：A相2.84，B相2.95，C相2.98；直流耐壓后繞組絕緣電阻：A相410 MΩ，B相351 MΩ，C相357 MΩ；吸收比：A相2.84，B相2.95，C相2.98。

根據(jù)國家《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》（DL/T 596—2021），機組定子繞組絕緣電阻值不應(yīng)低于12 MΩ，三相絕緣電阻值的差值不應(yīng)大于最小值的100%，吸收比不應(yīng)小于1.6，極化指數(shù)不應(yīng)小于2.0；在規(guī)定試驗電壓下，三相泄漏電流的差別未大于最小值的100%；最大泄漏電流小于20 μA。因此，各項試驗數(shù)據(jù)均合格，均滿足國家規(guī)范要求，與機組安裝時的交接性試驗數(shù)據(jù)對比未有顯著的變化。

3.3 缺陷判斷

當離槽口很遠的定子繞組端部絕緣存在局部缺陷時，直流耐壓和交流耐壓都無法準確地發(fā)現(xiàn)缺陷。發(fā)電機工頻交流耐壓試驗容易發(fā)現(xiàn)定子繞組槽部及槽口處的絕緣缺陷，而直流耐壓試驗容易發(fā)現(xiàn)端部的故障。直流耐壓試驗時，端部絕緣中不存在電容電流，流經(jīng)絕緣表面的泄漏電流較小，絕緣上承受的電壓較高；但當距離鐵心較遠時，由于端部表面絕緣電阻的作用，絕緣上承受的電壓也要大大下降。當端部接頭等處存在局部缺陷時，直流耐壓試驗也不能有效地發(fā)現(xiàn)。因此，為了進一步確定故障類型，采用手包絕緣直流電壓端部電位測量法來判斷端部絕緣或并頭焊接質(zhì)量是否存在缺陷。用0.01～0.02 mm厚的錫箔紙包覆發(fā)電機定子上下端部絕緣盒，定子線棒與接線盒接頭上下各包覆2 cm，錫箔紙要貼緊，不允許存在大面積的氣隙；如果不容易貼緊，可涂抹少量凡士林。為防止定子端部接線盒之間對數(shù)據(jù)的影響，進行鋁箔包覆時應(yīng)每隔開一個再進行包覆，試驗分為2次進行。加壓前應(yīng)首先測量所測部位的絕緣電阻。將U、V、W三相進行短接，并通直流電壓，電壓等級為1.0 Un；用端部電位測量儀測量各個鋁箔帶電位移，并記錄；檢查數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)線棒對地電位與平均值相比未見明顯異常。因此，可以排除定子繞組上端部并頭焊接不良，回路電阻大，機組運行過程中因發(fā)熱導(dǎo)致灌注膠溢出的故障。

通過現(xiàn)場故障現(xiàn)象及試驗設(shè)備故障檢測分析，溢膠未造成定子繞組主絕緣傷害，是機組安裝過程中，定子繞組絕緣并頭盒灌注膠時，881、879絕緣盒灌注膠揉合不均勻，出現(xiàn)部分灌注膠固化不完全溢膠。

4 故障處理

4.1 準備工作

（1）做好安全措施，吊開上機架蓋板，拆除發(fā)電機定子繞組上下?lián)躏L(fēng)板。拆除的螺栓、螺帽、墊片、平墊等應(yīng)及時放入收納袋或收納盒。拆完后，應(yīng)清點螺栓、螺帽、墊片等數(shù)量是否與設(shè)備未拆除前的螺栓、螺帽、墊片一致，以免拆除的螺栓、螺帽、墊片等掉進定轉(zhuǎn)子、線棒等縫隙。

（2）用直流電阻測試儀對定子繞組進行分相測試直流電阻值，并記錄。

（3）將所需更換的絕緣盒區(qū)域標示清楚，用毛刷、布及干燥壓縮空氣將周邊清理干凈。

（4）取干凈塑料布，先在絕緣盒位置處挖出適合孔位，之后套入絕緣盒并平鋪于作業(yè)區(qū)定子繞組（上端部）之上；間隙處用布等材料塞實以防止作業(yè)時大塊膠掉入定子繞組內(nèi)。

4.2 絕緣盒拆裝

（1）用鋒鋼刀敲去需處理的絕緣盒，清除附于線棒端部引線的環(huán)氧膠。

（2）絕緣盒套入前，應(yīng)徹底清理引線接頭，目視檢查原焊接是否滿焊，檢查焊接面是否有發(fā)黑氧化現(xiàn)象；如有應(yīng)補焊并清理引線處碳化物，之后用包裝布沾酒精擦洗整個套裝絕緣盒處引線。

（3）檢查絕緣盒外觀質(zhì)量，若有裂紋、氣泡或是壁厚小于3 mm，不得使用。絕緣盒在使用前，內(nèi)壁用鋼鋸條打毛，并用酒精清洗干凈，烘干后方可使用（烘焙溫度40～50℃，4 h）。

（4）所有絕緣盒要放正，不得有扭斜。套入時，確保所有絕緣盒垂直于徑向，而且周向均勻分布；兩兩之間的間隙要均勻，并且嚴禁出現(xiàn)兩只絕緣盒接觸的情況，不得突出定子鐵心內(nèi)徑圓弧面，絕緣盒內(nèi)腔與線棒之間的間隙也要均勻（四周）。絕緣盒套入后，與繞組端頭絕緣的搭接長度不小于30 mm；搭接長度不夠者，可用F級環(huán)氧粉云母帶預(yù)先加包接長。

（5）澆灌上端部絕緣盒時，先用木楔子、E型板等工裝固定于線棒端頭上，之后用環(huán)氧膩子做好打底作業(yè)，以防止?jié)仓h(huán)氧灌注膠時滲漏；環(huán)氧膩子配比5∶0.6，手工揉搓攪拌均勻使用。

（6）環(huán)氧灌注膠按第3條攪拌均勻后使用，先倒1/3絕緣盒高度，檢查是否有滲漏情況；如無再灌滿，環(huán)氧灌注膠固化后液面會下沉，應(yīng)及時補膠。待環(huán)氧灌注膠徹底固化后，再拆除工裝，清理周圍殘留物。

（7）下端絕緣盒澆灌時，可先在盒內(nèi)盛適量的環(huán)氧灌注膠，用1個輕便的支架支撐，調(diào)整到所需高度。用木楔塊（如有必要，間隙用木楔塊塞牢固定）調(diào)整相鄰絕緣盒間的距離基本相等，而后將環(huán)氧灌注膠灌入，固化后撤去絕緣盒支架和木楔塊。

（8）確保所有絕緣盒內(nèi)環(huán)氧灌注膠固化后，其收縮的局部低點不得低于絕緣盒表面3 mm；否則應(yīng)進行填充，直至達到要求為止。

（9）將每次攪拌的環(huán)氧灌注膠留樣，同時做好絕緣盒澆筑記錄，并且備案留存。

4.3 環(huán)氧灌注膠操作流程

（1）打開A組后，建議用電動攪拌器（功率≥700 W，轉(zhuǎn)速100～700 r/min）勻速攪拌1 min左右（將攪拌器與桶成60°左右斜角攪拌），將A組樹脂和填充料攪拌均勻，消除上下成份差異。若采用其他攪拌方式，需要進行上下左右的攪拌不少于5 min，攪拌均勻，消除上下成份差異（需要確保A組份底部無沉淀物，以保證上下部比重一致）；不建議采用手工攪拌方式進行攪拌。若現(xiàn)場施工條件允許，當溫度低于25℃時，建議將其置于40～45℃烘箱預(yù)熱1 h左右，操作性更佳。

（2）將B組5 kg固化劑導(dǎo)入A組20 kg（A∶B=4∶1）攪拌2～3 min。

（3）將混合的樹脂倒入待用的干凈空桶內(nèi)，并再次攪拌2～3 min后即可分裝使用（要求首次混合好的環(huán)氧灌注膠留樣2份保存?zhèn)洳椋?/p>

（4）將工件置于室溫（23℃）下12～24 h即可硬化，一般固化周期在2～3 d。

4.4 其他工序

（1）待絕緣盒內(nèi)的環(huán)氧灌注膠固化后拆除各類工裝。

（2）用直流電阻測試儀對定子繞組進行分相測試直流電阻值，并與原有數(shù)據(jù)進行比對有無明顯差異；要求各項間的直流電阻值相互間差別不應(yīng)大于最小值的2%。

（3）絕緣盒全部更換結(jié)束后，進行全面、徹底的清掃和檢查，不得有任何金屬碎屑、雜物等遺留在鐵心通風(fēng)溝或定子繞組縫隙中。

（4）用無水乙醇將絕緣盒外部清理干凈，噴涂9130環(huán)氧紅瓷漆。

（5）測試發(fā)電機定子繞組絕緣電阻、吸收比，直流電阻，直流耐壓、泄漏，交流耐壓等應(yīng)滿足國家相關(guān)規(guī)范要求，與機組安裝時的交接性試驗數(shù)據(jù)進行比對，應(yīng)變化不大。

（6）回裝定子繞組上下?lián)躏L(fēng)板，機組上機架蓋板。

該故障處理后，機組經(jīng)過發(fā)電機升流、升壓、帶主變升壓試驗，機組甩負荷試驗，事故低油壓試驗，24 h帶負荷試驗等均未發(fā)現(xiàn)異常，絕緣盒灌注膠、封口膩子固化良好，未見異常；截至目前，機組安全穩(wěn)定運行良好。

5 結(jié)語

通過對該故障處理的總結(jié)和思考，決定機組檢修時在1～3號機組所有定子繞組上下端部并頭絕緣盒正背面增加溫度測試的感溫片，以便能進一步準確了解水輪發(fā)電機定子端部在機組運行過程中的運行情況，為定子繞組端部絕緣缺陷故障處理提供更精準的判斷。