發(fā)電機定子線棒絕緣燒損原因及對策

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摘要：分析了南津渡水電站燈泡貫流式機組定子線棒絕緣劣化導(dǎo)致接地事故的原因，提出了發(fā)電機絕緣劣化問題的解決和處理辦法。

　　關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機定子絕緣器件事故處理設(shè)備維修

　　1機組概況

　　湖南省南津渡水電站機組是20世紀(jì)80年代末從奧地利ELIN公司引進的燈泡貫流式機組，裝機3臺，單機容量為20MW.發(fā)電機定子直徑2.43m，F(xiàn)級絕緣，定子繞組為分?jǐn)?shù)槽雙層波繞組；定子線棒主絕緣采用粉氧云母為基礎(chǔ)、環(huán)氧樹脂為膠粘劑、玻璃纖維補強的熱固性復(fù)合絕緣材料，主絕緣單邊厚度2.7mm，線棒與槽壁、槽底、槽楔板、層間半導(dǎo)體隔板間空隙采用注入半導(dǎo)體硅橡膠填充（與國內(nèi)通常用半導(dǎo)體墊條方式不同）。定子采用貼壁結(jié)構(gòu)，直接固定在燈泡體外殼上。定子鐵芯內(nèi)部無通風(fēng)道，利用燈泡體外壁作為定子散熱面，直接將熱量傳導(dǎo)給燈泡體外流過的河水中。發(fā)電機冷卻方式為密閉式水循環(huán)強迫風(fēng)冷。一次冷卻系統(tǒng)為密閉空氣冷卻系統(tǒng)，由位于燈泡頭內(nèi)4臺4kW的軸流風(fēng)機將風(fēng)向水空冷卻器冷卻，冷卻后的風(fēng)經(jīng)過轉(zhuǎn)子輪轂上的5個（單側(cè)）軸向通風(fēng)孔到達(dá)定子下游側(cè)，再經(jīng)轉(zhuǎn)子極靴間間隙和氣隙到達(dá)定子上游側(cè)，再后回到風(fēng)機。二次冷卻系統(tǒng)為水空冷卻器，采用密閉循環(huán)，由燈泡頭外河水經(jīng)燈泡頭內(nèi)冷卻套冷卻水空冷卻器產(chǎn)生的熱水。

　　2定子燒損情況

　　2.1定子線棒絕緣擊穿

　　南津渡水電站機組先后發(fā)生了3次定子線棒絕緣擊穿的定子接地故障。首次發(fā)生于1999年6月3日，1號機組在并網(wǎng)并帶滿負(fù)荷時，突然發(fā)生定子接地保護動作停機，后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，定子198槽上層線棒（B相）緊靠上游側(cè)槽口處被擊穿（擊穿點位于槽內(nèi)）。在處理過程中，發(fā)現(xiàn)事故線棒靠近擊穿位置約4/5線棒全長處已呈白色，防暈層完全破壞，主絕緣電腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，而下游側(cè)段線棒從槽口處起有30～40cm長的線棒直線段防暈層沒有受損且未發(fā)生電腐蝕。2001年7月，亦是1號機組213槽（B相）上層線棒靠近上游側(cè)槽口處發(fā)生擊穿。2003年6月19日，2號發(fā)電機定子222槽下層線棒上游側(cè)槽口擊穿。后兩次定子接地事故與第一次類似。

　　2.2定子線棒連接部件多次開焊燒斷

　　南津渡水電站發(fā)電機定子線棒端部接頭采用對接錫焊焊接（ELIN公司自為南津渡生產(chǎn)完機組后已不再使用這種工藝）。1、2、3號發(fā)電機在2002年和2003年先后發(fā)生定子端部連接部件接頭焊接處燒斷開焊3次，事故發(fā)生點均處于發(fā)電機上游側(cè)。其中2003年6月19日在2號機事故中同時發(fā)現(xiàn)一定子線棒接頭的絕緣并頭套有嚴(yán)重?zé)龘p現(xiàn)象，拆除后發(fā)現(xiàn)該接頭已部分脫焊，焊錫流出焊口，由于及時發(fā)現(xiàn)未造成事故。

　　2.3線棒電腐蝕嚴(yán)重

　　2001年機組運行中發(fā)現(xiàn)有臭氧氣味，特別是2號機臭氧氣味強烈。對2號機檢查發(fā)現(xiàn)線棒上游側(cè)槽部及槽口處電腐蝕（即電劣化）嚴(yán)重。上游側(cè)1／3線棒段有白色粉狀物，1／5槽口處槽壁有黑點、毛刺、啃齒，槽楔松動，硅橡膠老化；下游側(cè)線棒未見異常。上游側(cè)部分線棒與槽壁間普遍存在0.3～1mm間隙，線棒有松動現(xiàn)象。在機組事故搶修中拆下的未擊穿線棒也可以明顯發(fā)現(xiàn)上游側(cè)線棒段電腐嚴(yán)重，填充硅橡膠老化現(xiàn)象，而下游側(cè)完好如初。線棒電腐蝕嚴(yán)重部位為時鐘10至2點鐘區(qū)間，該部位為各相繞組高電位處。其它兩臺機也有類似現(xiàn)象。

　　3定子燒損主要原因

　　3.1定子線圈槽絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計存在缺陷

　　查ELIN公司圖紙，定子線棒寬16.3mm，其中股線寬10.9mm，主絕緣2.7mm；定子槽寬為17mm（沖片），槽形寬16.6mm，疊片公差雙邊0.4mm（單邊0.2mm）：槽襯寬0.4mm，加線棒寬為16.7mm，與槽形裝配在寬度方向上有0.1mm的過盈，但與沖片寬有0.3mm的間隙：線棒與槽壁間充填硅橡膠0.2mm，雙邊0.4mm.

　　通過上述數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，假若疊片質(zhì)量很好，則0.4mm的雙邊公差就偏大。線棒下線公差0.3mm，特別是采用液壓成型工藝的，線棒本身公差就較大。合計兩部分公差后，在槽壁與線棒之間間隙最大可達(dá)0.6mm以上。由于槽壁與線棒間間隙較大，兩者之間電位差較大，易產(chǎn)生局放電現(xiàn)象，長時間作用下，可造成線棒絕緣燒損劣化，表現(xiàn)為槽部電腐蝕。南津渡水電站發(fā)現(xiàn)的定子槽部有白色粉狀物，運行中產(chǎn)生臭氧等，應(yīng)是長期局部放電所致。由機組10至2點鐘區(qū)間線棒處于各相高電位區(qū)，線棒與槽壁電位差較其它區(qū)域要大，局部放電更為嚴(yán)重，從而導(dǎo)致此處電腐蝕最嚴(yán)重。線棒主絕緣單邊僅2.7mm，屬超薄型絕緣，雖技術(shù)比較先進，但不足的是：在線棒換位處對地絕緣更薄，生產(chǎn)加工中在個別換位處形成絕緣層過薄是可能的。在換位處，若存在長期電腐蝕，絕緣被擊穿的可能性更大。

　　3.2冷卻系統(tǒng)散熱能力不足

　　3臺發(fā)電機事故點及電腐蝕嚴(yán)重區(qū)域都處于定子線棒上游側(cè)段，而線棒下游側(cè)段無異常，說明事故及線棒燒損的區(qū)域存在規(guī)律性。從事故及線棒燒損區(qū)域可以發(fā)現(xiàn)其處于冷卻風(fēng)道的后段，而冷卻風(fēng)在此段溫度已升高，冷卻能力相對下降，此區(qū)域為定子高溫區(qū)域。由于在常溫附近電介質(zhì)的熱劣化隨溫度升高而劣化作用加大、劣化速度加快，因此這個區(qū)域絕緣劣化速度比其區(qū)域快且強烈，造成事故和燒損集中于此區(qū)域發(fā)生。同樣，若定子端部焊接有缺陷而導(dǎo)致發(fā)熱時，則上游側(cè)開焊事故機率遠(yuǎn)大于下游側(cè)。造成風(fēng)冷系統(tǒng)冷卻能力不足的原因有：1）由于設(shè)計缺陷造成局部放電較為強烈，對定子發(fā)熱量和溫升估計不足；2）冷卻系統(tǒng)設(shè)計有缺陷。由概況介紹中可知，定子內(nèi)未設(shè)計通風(fēng)道，定子鐵芯內(nèi)部散熱不夠，造成熱量積累。因冷卻風(fēng)量不足，導(dǎo)致冷卻風(fēng)在風(fēng)道后段溫度過高；3）冷卻風(fēng)到達(dá)風(fēng)道末段后，有風(fēng)機的強迫抽取作用，由轉(zhuǎn)子磁極間隙和氣隙流出的氣流直接被風(fēng)機抽走，上游側(cè)定子端部與燈泡體間局部范圍內(nèi)氣流量很小，加上冷卻風(fēng)溫度升高等因素使得上游側(cè)定子端部冷卻條件差。

　　3.3機械力作用加劇絕緣破壞

　　發(fā)電機定子線圈在運行中一旦松動，在機械振動和電磁振動作用下會使主絕緣磨損，造成線圈損壞引起短路和接地故障。檢查中發(fā)現(xiàn)上游側(cè)線棒與槽壁間有0.3～1mm間隙，線棒松動，可以斷定存在振動損傷主絕緣的危害。由于機組線棒振動最劇烈的部位是線棒的端部，使得線棒的槽口段破壞加速，在槽口發(fā)生事故機率比在槽內(nèi)大得多。因此可以很好地解釋為什么事故都發(fā)生在線棒槽口。分析發(fā)電機線棒松動的主要原因有：1）上游側(cè)線圈、槽楔及槽內(nèi)各間隙填充的硅橡膠等長期處于高溫運行中，逐漸收縮；2）3.1所述疊片公差過大等結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷；3）長期的局部放電造成絕緣層及硅橡膠的收縮和劣化。

　　3.4運行環(huán)境不良

　　燈泡貫流式機組最大的特點是整個機組浸于水下，外殼四周充滿河水，機組結(jié)構(gòu)緊湊且封閉。當(dāng)機殼內(nèi)溫度高于河水，且空氣濕度較大時（我國南方天氣正有這個特點），就很容易在機殼內(nèi)腔結(jié)露。這種結(jié)露在運行中較難發(fā)生且影響不大，一旦停機時間較長，就可能結(jié)露使發(fā)電機受潮，大大降低了發(fā)電機的絕緣。ELIN公司的機組設(shè)計有防結(jié)露設(shè)施，但效果不佳，經(jīng)常在機組停機時，發(fā)現(xiàn)有結(jié)露現(xiàn)象。另外，由于電站直供了幾家冶煉廠和化工廠的電力，而這些廠家未對其所產(chǎn)生的工業(yè)諧波加以治理。經(jīng)權(quán)威部門測試發(fā)現(xiàn)，諧波指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)，超標(biāo)諧波主要有3、5、7、11次。這些諧波直接侵入機組，加大了發(fā)電機的附加損耗，對發(fā)電機絕緣劣化也有一定作用。

　　分析上述幾方面原因，其中線棒絕緣設(shè)計缺陷和冷卻系統(tǒng)冷卻能力不足是造成事故和線棒燒損的內(nèi)在因素，機械破壞作用和不良運行環(huán)境加速和加劇了事故和線棒燒損的形成。

　　4對策

　　4.1改造定子繞組

　　由于故障與槽絕緣結(jié)構(gòu)和引出線接頭等設(shè)計不合理有很大關(guān)系，在國內(nèi)尋找替代廠商進行優(yōu)化設(shè)計，逐步更換定子繞組。通過改變槽內(nèi)絕緣結(jié)構(gòu)，改進線棒端部接頭焊接結(jié)構(gòu)，改變焊接工藝（如采用銀銅焊）等，從內(nèi)在結(jié)構(gòu)上消除或減弱故障產(chǎn)生內(nèi)因。

　　4.2改造發(fā)電機冷卻系統(tǒng)

　　由于冷卻能力存在不足，因此有必要對冷卻系統(tǒng)進行改造。因定子改造短期內(nèi)難以實現(xiàn)，考慮到更換部分燒損嚴(yán)重的線棒和加固松動的線棒后，發(fā)電機在運行條件良好的情況下還能正常運行，應(yīng)先改造冷卻系統(tǒng)，以少的投入，使機組產(chǎn)生最大效益。主要改造措施：1）增大風(fēng)機容量或增加風(fēng)機，加大通風(fēng)量；2）改造或增加水空冷卻器，增強其冷卻能力；3）改變冷卻風(fēng)流向，將風(fēng)向逆轉(zhuǎn)，改由從定子上游側(cè)注入，改善上游側(cè)線棒的冷卻性能，延長線棒使用壽命；4）改變風(fēng)向后在定子下游側(cè)增加離心風(fēng)扇，改善下游側(cè)端部散熱性能。

　　4.3加強對機組的監(jiān)測

　　增加在線監(jiān)測設(shè)備，對機組運行情況及時掌握。特別是要增加測溫設(shè)施，在定子兩端增加測溫設(shè)施，加上原有定子中部的測溫裝置，對運行中的定子溫度進行監(jiān)測比較；增加冷卻風(fēng)道末端風(fēng)的溫度監(jiān)測設(shè)施，對冷卻風(fēng)首端風(fēng)和末端風(fēng)的溫度進行監(jiān)測比較。

　　4.4改善發(fā)電機運行環(huán)境

　　先是要治理好工業(yè)諧波（目前已完成）。再是要降低機組結(jié)露的危害。為減輕結(jié)露對機組的影響，在原有的基礎(chǔ)上增加三臺除濕機，有效降低空氣濕度。在機組停機時間較長后，對機組采取一定的干燥措施。

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