摘 要：主要介绍某水电站发电机组的基本结构,分析了某混流式发电机组定子线棒主绝缘击穿的原因,介绍了本电站所采取的处理方法,并提出建议,为同类型机组的电站在缺陷处理、安全运行管理、检修维护上提供借鉴和参考。
关键词：混流式发电机组;定子线棒;绝缘
0 前言
某水电站发电机组为混流式发电机组,总装机容量为4×650 MW,发电机型号为SF650-48/14600,额定电流23 165 A,额定电压18 kV。定子线棒为双层布置,为条式叠绕组,Y形连接,8支路并联,共1 152根线棒,所有的线棒接头连接采用银铜焊,绕组绝缘为F级。该水电站4号机组于2015年9月投入商业运行,2016年3月停机检修,试验人员在进行修前试验时发现机组定子线圈A相试验不合格,发生放电现象。
1 发电机结构设计
1.1 定子铁心
发电机定子铁心采用高导磁、低损耗、无时效进口硅钢片50M250冲制而成,全圆由48片组成。铁心外径为φ14500mm,内径φ13450mm,总长3300mm。铁心轴向均匀设有高度为5 mm的通风沟,通风槽钢采用非磁性钢制成。铁心两端叠成阶梯形,并采用非磁性压指及非磁性端箍。定子铁心定位筋采用浮动鸽尾结构,定位筋与托块间留有适当的间隙以适应定子铁心的热膨胀。定子铁心由足够的穿心螺杆拉紧,在穿心螺杆的上端设有蝶形弹簧。做完铁损试验后,用液压拉伸器拉伸一次。为减小漏磁损耗,定子铁心两端设计有阶梯。
1.2 定子线圈
发电机定子共有1 152根线棒,三相双层叠绕组,极对数为24,每极每相槽数4槽,8个并联支路。定子铁心在安装间装配后吊入机坑(或者定子机座在机坑内组圆、叠片),在机坑内下线。定子线圈接头采用银铜焊接。发电机定子线圈绝缘采用F级、VPI绝缘系统,可以有效地减薄绝缘厚度,电磁线材料采用双面绝缘厚度为0.2 mm的双玻璃丝包铜扁线。并采用绝缘槽衬结构,在线棒表面形成弹性层,使之与定子槽结合紧密,可有效降低槽电位,提高线棒抗电晕能力,同时有利于减小线棒与铁心间的热阻。定子线棒采用小于360换位,以减小股线间环流,使股线间温度均匀,改善线圈股线温差,从而降低线圈最大温升,延长线圈寿命,并减小附加损耗。在定子线圈的固定方式上,加长槽楔绑扎段长,将绑扎道数增加并加粗绑扎线。槽楔下垫弹性波纹板,该垫条具有弹性,以利于线棒在冷热状态下均有一定压力,使线棒、槽楔能牢固地固定。测温元件根据所有槽底、层间测温电阻线圈的具体分布位置,配置槽底和层间测温电阻,将测温电阻线圈粘嵌于F级高强度玻璃布板上,定子测温引线从通风沟穿出。
2 发电机组故障缺陷情况
水电站4号机组停机检修,试验人员进行机组修前试验。首先开展定子绝缘电阻试验,其中三相极化指数分别为:A相2450/450MΩ,B相2470/451MΩ,C相2510/480MΩ,以上试验数据合格。随后开始定子直流耐压及泄漏电流试验,试验顺序为C相、B相、A相,每相试验电压分别为9kV、18kV、27kV、36kV。C、B两相试验数据合格,数据见表1,当试验进行至A相27 kV时,读得泄漏电流为47μA,在直流电压逐步从27 kV加至36 kV过程中,直流发生器过流保护动作报警,试验人员随即降压、放电,并再次进行绝缘电阻试验,A相 1 min绝缘电阻正常(475MΩ)。试验人员重新开始直流耐压及泄漏试验,电压加至2 kV左右时,泄漏电流维持在450 μA左右,未见下降,同时试验电压出现放电(电压在0～2kV之间反复放电波动)。再次进行绝缘电阻试验,兆欧表电压显示在0.4～2.2 kV之间反复充放电,试验人员随即停止试验(试验数据见表1所示)。现场对烧损的测温垫条进行测量,烧损两处,下端烧伤部位与槽下端距离为44～56 cm,上端烧伤与槽下端距离为96～126 cm。测温电阻在下段垫条处。测量测温电阻,发现两个测温电阻都是好的,阻值分别是107.7 Ω、107.1 Ω。对中段测温垫条进行解剖,发现未烧损部位处的测温引线完好,没有短路过热等异常。上层线棒:上层线棒有两处烧伤痕迹,位置与层间垫条烧损处对应,上层线棒烧伤程度比下层线棒轻微。下层线棒:下层线棒有两处烧伤痕迹,位置与层间垫条烧损处对应,下层线棒拔出时,上部烧损处折弯,将下层线棒烧伤处截断并返厂进行解剖,下层线棒上部的铜线处存在破压点,位置正好在线棒折弯处,下层线棒下部没有破压点。
表1 修前直流耐压及泄漏试验
3 故障原因分析
3.1 线圈测温元件方面
测温元件屏蔽线在发电机主磁场中切割磁力线感应电压,因引线布置和走向不完全相同,两屏蔽线间存在电压差。由于垫条内测温元件屏蔽线距离较近,且裸露,致使两屏蔽线沿轴向的垫条内发生一点或多点短路,测温元件屏蔽线在机外端子箱处一点接地,由于屏蔽线回路电阻较小,屏蔽线中会有较大的电流产生。屏蔽线截面较测温电阻芯线截面大,不容易烧断。屏蔽线中电流产生的热量导致层间垫条受热老化,绝缘强度降低,甚至破损,并损坏层间线棒窄面的半导体漆,引起线棒对绝缘垫条内接地的测温元件屏蔽线间的电位差增大,当该电位差产生的场强大于空气间隙的击穿场强时可能击穿空气间隙,甚至产生电弧,造成线棒绝缘损伤和老化。
3.2 高次谐波电流影响
高次谐波电流在发电机定子中有集肤效应。在定子的双层绕组中,高次谐波电流主要在沿槽高度的上层线棒里产生附加损耗,并且比下层线棒里的相应附加损耗要大6～7倍,谐波磁场还在定子铁心齿上产生附加损耗。高次谐波在定子上层线棒里产生的附加损耗亦是造成定子上层线棒的半导体硅橡胶老化的主要因素之一。此外,定子线棒经常承受较大的谐波,有可能使绝缘空隙放电的次数大增,从而较快地缩短绝缘寿命。
3.3 定子绕组的磨损和电腐蚀影响
大型水轮发电机定子的电流大,电压高,所以定子线棒的磨损和电腐蚀问题更加严重。因绝缘是固体绝缘,热态几乎不膨胀,由于电磁振动,下线时线圈表面防晕层与槽壁接触不良,从而引起槽内间隙火花放电,致使绝缘表面形成可达1 mm以上的麻坑,麻坑的位置随振动、接触条件的变化而经常变化,使绝缘表面受到严重腐蚀。线棒在槽中松动,以及线棒和槽壁间不能保持稳定的接触,是造成电腐蚀的主要原因,由于线棒松动造成线棒表面防晕层磨损,从而又加剧了电腐蚀。运行时,由于定子电流大,定子线圈处在强大的交流电动力的作用下,使定子线棒的磨损和电腐蚀情况普遍存在,往往会引起发电机的绝缘损坏。
3.4 定子线圈绝缘表面防晕层损伤
上下层线棒绝缘之间可能存在气隙,使层间电压分布发生改变,气隙上分布的电压较高,当空气隙上的电场强度超过其击穿场强时就会发生放电,放电会损伤绝缘表面防晕层,使层间电位差进一步增加,对地电位也增加,长期放电会进一步损伤主绝缘。
3.5 线棒铜线股间绝缘短路
由于是从线棒内部产生,燃烧时产生的气体会导致绝缘与铜线脱层,绝缘膨胀,线棒绝缘从内部朝外部损坏。
3.6 线棒绝缘破损
机组运行时,线棒内部的铜线相对铁心处于高电位,铜线的电位除以该处的绝缘电阻等于泄漏电流。绝缘完好时,泄漏电流可以忽略不计,当绝缘破损后,破损绝缘处的泄漏电流将会增大。当泄漏电流满足临界条件时,该处的绝缘将逐渐被碳化,同时热量将进一步传递,以类似热空气上升的原理,逐渐碳化附近特别是绝缘破损点上部的完好绝缘,线棒绝缘从外部朝内部损坏。
3.7 线棒表面有导磁异物
导磁异物在旋转磁场中会产生涡流发热,烧损接触的绝缘,线棒绝缘从外部朝内部损坏。
4 处理方法及建议
4.1 处理方法
对放电部位表面进行清扫,清扫完成后再次进行试验,确定具体放电线棒槽号为241槽,处理方法为更换241槽中的上、下层线棒。取出线棒需要一定的空间,一般须吊转子后进行处理,但如果吊转子处理该缺陷,后期作业方便,但会导致检修时间的延长,为了充分节约时间,此次巧妙地利用转子磁极所占空间,先吊出241槽所对应的转子磁极,为更换线棒腾出了足够的空间,不仅少了吊转子的繁琐,而且大大的缩短了检修时间。修后直流耐压试验,定子绕组的直流耐压值为38 kV。试验电压按每级0.5倍额定电压分阶段升高,每阶段停留1min,并记录泄露电流。
4.2 建议
(1)测温元件的绝缘耐温等级需满足要求,更换满足要求的测温垫条,引线走向最好不要引起运行中产生感应电势或尽量减少能产生感应电势的长度,引线无法避免产生感应电势时,应避免测温元件芯线对地或之间发生短路,更应避免屏蔽线之间发生短路。
(2)安装发电机定子绕组局部放电在线监测装置,运行中监视发电机局部放电量是否满足要求,一旦出现局放超标现象,及时查找隐患,停机处理,避免事故扩大。
(3)机组停机或检修时,应保持机坑内环境温度比周围环境温度高,避免绕组吸潮和急剧的热胀冷缩,加强对线圈端部机械固定情况重点检查。
(4)加强滑环室的密封,保证机组在运行中补风干净和避免碳刷粉尘等进入到定子膛内。
(5)发电机定子安装过程中,要严格按照浸漆工艺要点预烘、浸漆和干燥,开展槽电位测试,对于槽电位不合格的线棒应灌注半导体漆。
5 结语
大型水轮发电机组定子结构基本与本站相同,通过本站定子缺陷处理过程及建议,应对同类型机组在设计选型、安装工艺及实验方法等问题上引起重视,同时为出现相同缺陷的机组在故障原因和处理方法上提供参考。
