发电机定子线棒绝缘击穿原因分析及处理对策

学术论文郑伟 2018-11-08 10:40:15
    1 发电机机组概况
    某水电站装机容量为860MW,年设计发电量为2.27TWh,共有4台密闭自循环空气冷却的半伞式凸极水轮发电机,设备型号为SF180-60-12800,额定功率180MW。发电机定子绕组采用双层条形波绕组,定子槽数540,极数2P=60,每极每相槽数为3,支路数为3Y,绕组节距1-9-19,铁心内径1230mm,铁心长度1850mm。定子绕组为F级桐马环氧粉云母多胶带主绝缘,全模压一次成形。定子线棒端头采用连接板银焊结构,端部绝缘结构为绝缘盒封口后灌注胶填充。定子绕组分9个分支,共1080根线棒。
    2 发电机定子线棒绝缘击穿分析
    2.1 故障点的判断
    发电机发生故障时,未在机坑内发现异常响动或冒烟情况,据此初步判定为发电机内部小范围故障。关停发电机后,由于上机架没有拆除,转子仍然留在机坑,需要现场技术人员做好安全防护工作。制定初步的故障检查方案后,技术人员先进入风洞,主要检查定子绕组的上下端,线棒两端均没有发现故障问题。此时可以确定故障源在槽内。技术人员撤出后,拆解上机架,利用起吊设备将转子调出,技术人员对绕组的U相、W相、V相进行绝缘电阻测量,测量结果为:U相、W相以及V相的1、2支路绝缘合格,而V相3支路绝缘电阻为0。
    综合上述检测结果,决定使用“直流降压法”和“直流高压间隙放电法”依次来判断故障源的位置。第一步,借助于直流电阻测试仪,测试仪两个接线端分别连接定子绕组的V相3分支和中性点V相3分支,测量对地电阻。此时直流电阻测试仪的档位旋转到“10A”档,观察测试结果定子绕组V相3分支接地电阻144.3MΩ,中性点V相3分支接地电阻72.5MΩ。综合测量结果和定子线棒的接线方式,将故障点锁定在40、44、45、46、47槽槽内,且为金属性接地故障。然后在这5个槽内继续使用“直流高压间隙放电法”进行检测。选择80kV交直流耐压装置对V相3支路绕路进行加直流实验,分别观察40、44-47槽的放电情况。发现46槽有明显的放电声音。对46槽进行全面检查,发现槽后下端槽线绝缘破损,由此确定故障源。
    2.2 定子线棒绝缘击穿原因分析
    在明确了故障点后,结合发电机运行情况,认为引发该故障的原因主要有以下几个方面:
    (1)定子冲片松动。该发电机铁芯压紧方式选择的是后端拉紧螺杆压紧定位。随着发电机工作时间的延长,由于发电机本身振动、材料老化等因素的影响,压在定子冲片上的金属零件逐渐松动,可能会导致线棒绝缘击穿。
    (2)水电站日常运行影响。为了满足区域供电要求,该水电站机组频繁启停,且从启动到满荷载运行的时间间隔较短,一般在3min~6min。为了尽快达到额定运行功率,定子铁芯的温度急剧升高,久而久之容易造成定子铁芯受热膨胀变形。
    (3)铁芯压紧方式不合理,该发电机定子采用“先分压再总压”的压紧方式,由于分段压紧中各个分段的压力不一致,可能会导致铁芯冲片溢出、整体弯曲的问题,也是引发定子线棒绝缘击穿的重要原因。
    (4)机组设计不合理,该发电机铁芯长度和定子内径之比为1.5∶4.2,几何形状较为细长。这就导致电机运行过程中产生热量的传导路径过长,温度不能及时散发出去。随着热量在线棒上的不断积累,线棒温度也会逐渐升高,尤其是在线棒两侧的槽口段,其温度往往会超过绝缘橡胶的正常工作温度,进而加速了绝缘体的老化速度,出现绝缘击穿问题。
    (5)运行维护不到位,该发电机自投入运行以来,尚未进行运行工况检查,而由于机组频繁启停、橡胶受热老化等问题的影响,定子线棒实际上已经出现了比较严重的质量隐患。由于日常运行维护工作不到位,这些隐患没有被及时发现、解决,逐渐累计最终引发了严重的绝缘损坏、击穿。
    3 定子线棒绝缘击穿的处理对策
    3.1 松动处理
    将定子线棒拆开,将线棒和槽间老化的橡胶清理干净,然后更换新的绝缘材料。将定子线棒重新安装好之后,用手轻微晃动,如果仍然存在线棒松动问题,可以向线棒间隙出注射流体状态的半导体硅橡胶。注射后保持定子原来位置,几分钟后橡胶固化后松开,可以避免线棒松动。该方法同样适用于定子冲片松动的处理,同时技术人员记录处理时间,以便于后期日常维护时进行重点管理。
    3.2 发电机油污、粉尘的清理
    受工作环境的影响,发电机在运行一段时间后,内部的定子、转子上不可避免会沾染一些粉尘、油污,既影响了发电机运行效率,而且也容易引发绝缘击穿。尤其是在高温、高湿环境下,油污、粉尘进入到发电机内部,具有较强的导电性,容易引发短路或绝缘击穿。因此,要制定定期清理计划,使用高压喷枪,选择合适的清洗剂,先通过喷枪将表层的一些油污、粉尘处理掉,然后使用干净的抹布擦拭。定子线棒在干凈的环境下工作,使用寿命也会延长。
    3.3 定子喷漆
    定子喷漆的原理是通过外界防护层的形式,提高定子线棒绝缘能力。可以选择聚酯材料作为喷漆原材料,根据定子工作情况决定是局部喷漆还是全部喷漆。喷漆完成后让线棒表面的油漆自然晾干,然后再开机运行。定子喷漆只是一种延缓绝缘击穿的方法,对于那些已经形成绝缘击穿的定子线棒,还是需要通过更换、其他修复手段来处理。
    3.4 开展修复后的铁损实验
    完成上述一系列的处理措施后,还要进行必要的检查工作,以全面、客观地评估定子线棒是否正常运行。铁损实验包括多项检测内容,包括铁芯升温检测、绝缘电气检测等等。对于线棒来说,如果受损较轻,可以现场修复;如果绝缘击穿后受损严重,则应当及时报请有关部门,直接用新的定子线棒进行替换。现场实验人员要记录好铁损实验前后各项参数的变化情况,以便于更加明确地对照定子线棒处理效果。
    4 关于发电机定子线棒故障处理的一些建议
    (1)定子线棒绝缘击穿是水轮发电机运行中较为常见的故障,为了不影响发电机正常工作,要求在发现故障后立即进行故障源的查找。今后应当加快信息化检测技术的应用比例,提高检测效率和故障判定精度,将定子线棒绝缘击穿造成的损失降到最低。
    (2)可以在定子绕组上安装监控系统,利用传感器获取定子运行的各项参数。同时,将这些参数同步到计算机管理中心,对比数据库中的标准参数。一旦检测到定子实时运行参数异常,立即启动应急措施,确保了发电机组的稳定运行。
    (3)制定严格的检修机制,根据发电机电腐蚀情况、运行时间等,确定检查维护周期。并要求检修人员做好记录,尤其要重点关注线棒是否松动、组合轴承油污甩油问题以及线棒绝缘材料的老化程度等。
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