發(fā)電機定子線棒絕緣燒損原因及對策
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級絕緣，定子繞組為分數(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、層間半導體隔板間空隙采用注入半導體硅橡膠填充（與國內(nèi)通常用半導體墊條方式不同）。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)部無通風道，利用燈泡體外壁作為定子散熱面，直接將熱量傳導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的軸流風機將風向水空冷卻器冷卻，冷卻后的風經(jīng)過轉(zhuǎn)子輪轂上的５個（單側(cè)）軸向通風孔到達定子下游側(cè)，再經(jīng)轉(zhuǎn)子極靴間間隙和氣隙到達定子上游側(cè)，再后回到風機。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重燒損現(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，局部放電更為嚴重，從而導致此處電腐蝕最嚴重。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
?。撑_發(fā)電機事故點及電腐蝕嚴重區(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)其處于冷卻風道的后段，而冷卻風在此段溫度已升高，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致發(fā)熱時，則上游側(cè)開焊事故機率遠大于下游側(cè)。造成風冷系統(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)計通風道，定子鐵芯內(nèi)部散熱不夠，造成熱量積累。因冷卻風量不足，導致冷卻風在風道后段溫度過高；３）冷卻風到達風道末段后，有風機的強迫抽取作用，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)，諧波指標嚴重超標，超標諧波主要有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）增大風機容量或增加風機，加大通風量；２）改造或增加水空冷卻器，增強其冷卻能力；３）改變冷卻風流向，將風向逆轉(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）改變風向后在定子下游側(cè)增加離心風扇，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；增加冷卻風道末端風的溫度監(jiān)測設(shè)施，對冷卻風首端風和末端風的溫度進行監(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。
參考文獻
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