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发电机定子绕组故障分析及处理措施
文章来源:湖南省南津渡水电站  添加人:生产技术部  浏览次数:3519  添加时间:2004/11/3 9:03:41
    

 
 
纪天华
 
 
 
摘要:本文对南津渡水电站发电机定子线棒故障的原因进行了分析和探讨,认为定子绕组绝缘老化是引起故障的根本原因,对绝缘老化的成因和机理进行了分析,介绍了处理的方法及措施。
 
关键词:电机主绝缘;多因子老化;电、热腐蚀;处理措施
 
 
0.   前言
湖南省南津渡水电站(3×20MW)系引进国外奥地利VOITH/ELIN公司KAPLAN灯泡贯流式发电机组的水电站。1991年11月,1#机组投产发电,1992年4月、6月,2#、3#机组相继投产发电。自1999年6月1#机发生定子线棒烧损事故至今,三台机组的定子绕组已累计发生6次主绝缘故障,给我站造成了巨大的经济损失,直接威胁着我站的安全经济运行。下面就这6次事故的情况、成因、处理方法、采取的相应措施作一简单介绍,供安全运行管理、检修维护及电机制造工作中参考。
 
1.   成因分折
1.1   发电机绕组结构及冷却方式。
机组型号为SV420/40-180,出力22.2MVA,定子电流1221A,出口电压10.51KV,定、转子绕组绝缘等级为F级,定子铁芯槽数为288槽,外径4.7m,内径4.3m,长1.3m,定子铁芯由0.5mm厚的高级矽钢片半搭接叠装而成。定子绕组采用条式双层波绕组,节距按1-8-15整数槽绕组设计。线棒由2×13根实心扁铜线进行3600罗贝尔换住进行真空环氧树腊浸渍并烘烤制成,在直线部分及端部涂上防晕层,其主绝缘为F级环氧粉云母材料。铁芯槽底,层间半导体隔板,槽楔板,线棒与槽壁的气隙间采用半导体硅橡胶填充。端部固定采用氯丁橡胶带(浸环氧胶)分别将上下层线棒端部绑扎在支持环上。
发电机的冷却方式是采用在靠近发电机的上游侧装有四台功率为550W的轴流风机(型号:PQK10-50-2)进行风冷,其风量为4400 /小时,风压为150Pa。其密闭循环的途径为风机将冷风送经转子支架上、下圆盘上的10个通风孔,然后流经下游侧定子线棒端部,磁级间通风孔,进入定转子间气隙,在上游侧定子线棒端部汇合后,通过八个空气冷却器回到轴流风机。
 
1.2   发电机定子绕组事故统计
 
机组编号
投产日期
故障时间
事故情况
1#G
1991年11月
1999年6月12日
231槽的定子上层线棒在上游侧槽部槽口处发生线棒主绝缘击穿故障
2001年7月
195槽的定子上层线棒在上游侧槽部槽口处发生线棒主绝缘击穿故障
2003年6月10号
C相74槽下层线棒端头与极间连接线(跳线)接头处起弧烧断。
2#G
1992年4月
2003年6月19日
222槽下层定子线棒在上游侧槽部槽口处发生线棒主绝缘击穿故障
2003年6月23日
203槽定子上层线棒与下层线棒并头套处开焊。
3#G
1992年6月
2002年2月12日
B相188槽上层线棒与中心点汇流排连接板焊接处开焊拉弧引起与之相邻的C相187槽上层线棒短路烧断,189槽、187槽靠上游侧并头套及线棒端头股线均被电弧严重烧伤。
 
1.3   1#,2#机组目前状况
1.3.1   1#机组目前状况
定子上游测存在问题如下:
A相:
227槽:槽铁芯轻度腐蚀
229槽:铁芯、隔板腐蚀较严重
B相:
195槽:槽铁芯腐蚀
202槽:槽下层线棒槽口处有白色粉状物;
237槽:上层线棒槽口处有白色粉状物、铁芯腐蚀
238槽:槽上层线棒铁芯轻度腐蚀,下层线棒槽口处有白色粉状物
245槽:下层线棒槽口处有白色粉状物、硅橡胶老化
C相:
154槽:下层线棒槽口处有白色粉状物
233槽:铁芯、隔板、槽楔板腐蚀
从故障更换下来的231槽,195槽的线棒可观察到明显的击穿点,己发生严重的主绝缘表面腐蚀现象,线棒槽部区域上游段防晕层完全损坏,中段防晕层相对上游段要略轻,下游段从槽口有30-40cm防晕层未受损且未发生电腐蚀。
 
1.3.2   2#机组目前状况
定子上游测存在问题如下:
A相:
185槽:铁芯、硅橡胶腐蚀            199槽:铁芯、隔板腐蚀
215槽:隔板腐蚀                    220槽:铁芯腐蚀
221槽:铁芯、隔板腐蚀              222槽:隔板腐蚀
227槽:隔板、线棒间隙偏大          229槽:铁芯、隔板腐蚀
241槽:铁芯、隔板腐蚀              257槽:铁芯腐蚀
B相:
195槽:隔板腐蚀                    209槽:端部一块槽楔脱落
223槽:铁芯、隔板腐蚀              237槽:铁芯、隔板腐蚀
245槽:铁芯、隔板腐蚀              251槽:铁芯腐蚀
253槽:铁芯腐蚀                    259槽:铁芯腐蚀
265槽:铁芯腐蚀
C相:
189槽:铁芯、硅橡胶腐蚀            197槽:铁芯、隔板腐蚀
198槽:铁芯腐蚀                    203槽:铁芯腐蚀严重
205槽:铁芯腐蚀                    217槽:铁芯腐蚀
218槽:铁芯腐蚀                    271槽:铁芯腐蚀
273槽:铁芯腐蚀
其中,209槽线棒脱落一块槽楔板(己处理),定子线棒上游端槽部及槽口处放电和腐蚀现象严重,线棒与铁芯槽壁善遍存在0.3~1.0mm的间隙,约有1/3的线棒槽口有白色粉状物,约有1/5的线棒槽口处槽壁铁芯有黑点,毛刺,啃齿及槽楔松动,硅橡胶老化,线棒松动等现象。
1.4 结论
    综合我站发电机绕组多次故障和目前状况进行分析不难确认发电机的主绝缘己发生老化现象,特别是发电机定子绕组上游侧槽口端部已发生严重的热腐蚀和电腐蚀现象。
 
1.5   绝缘老化分析机理
绝缘应力又称影响因子,可分为热、电、环境和机械因子四种,通常称TEOM因子。绝缘层的老化是热老化、电老化、机械老化和环境老化诸因子的重叠而复合的老化过程。其老化机理分成三个阶段,如图1所示;电机绝缘诸因子及劣化征象如图2所示。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

图2、发电机绝缘诸因子及劣化征象
电机绝缘构
机械力
离层、龟裂、磨损、变质
运行电压
污损、吸湿
局部放电发生
局部放电腐蚀
引形漏电通道
浪涌电压
绝缘破坏
泄漏电流增大
环境条件

 
 

1.4.1   初期
云母带之间的树脂漆,云母带与导体之间的接触良好,基本上没有空隙。
1.4.2   老化状态
由于所浸树脂漆的收缩,热分解而造成化学键断裂,由于产生分解气体而形成的空隙,导体和绝缘层的热膨胀系数之差而引起的剥落等。往往使整个绝缘层产生许多小空隙和局部的大空隙。
1.4.3   寿命期
随着绝缘层整体的空隙量增加而云母片断裂,局部产生大空隙,随之局部空隙相互之间形成联系,寿命终止。
 
1.5   原因分析
发电机主绝缘(定子绝缘)在长期的运行过程中,要受电、热、机械和环境等应力因子的联合作用,其机械性能和介电性能逐渐变坏,电气强度降低,即所谓的老化,最终导致绝缘击穿。据统计这类事故大约己占发电机事故总数的1/3。主绝缘老化是多因子应力同时作用的结果。电应力来自于电场;热应力来自于电场的热效应;机械应力来自线棒端部的振动;热机械应力则来自于电机的频繁启动。为什么机组运行13年就发生如此程度的老化?我认为既有制造结构工艺和材料上的问题,又有运行管理不善方面的原因,归纳总结有以下原因:
a.发电机定子铁芯长和定子内径之比为1.3/4.3=0.302,比其它引进奥地利的ELIN公司同类型机组和国内制造的机组要细长,这种细长电机散热效果要差,而且造成定子温度沿轴向分布不均匀,据实测,其上游侧端部和下游测的温差为15℃,严重时达到20℃,温度不均产生热腐蚀;
b.定子铁芯上未设计径向通风沟;转子磁轭上未设计均匀布置的通风孔。会导致风道窄,风阻大,影响电机的散热效果。设计合理的径向通风沟能使流体以紊流状态以二维失量速度流过风道。流体流动的快慢影响电机构件表面散热系数,进而影响电机的散热量。
c.磁极极靴外形不佳。最小气隙δmin=9mm,最大气隙δmax=37.15mm,δmax/δmin=4.13远大于通常规定的1.5。导致谐波磁势增大,较强的高次谐波磁势,使定子线棒的附加损耗明显增大而导致机组温度升高,产生电腐蚀。
d.发电机组转动惯量小,稳定性差,振动大,使得铁芯线棒容易松动,磨损绕组外层绝缘,会导致绕组接头处导线疲劳断股拉弧,烧伤电机绝缘。
e.发电机端部固定不稳。仅在定子的线棒端部与端箍进行绑扎,未在相邻的上层线棒或下层线棒斜边间垫以斜边垫块,槽口线棒间也未加槽口垫块加以固定。同国内发电机端部相比,其端部的整体性和稳定性要差。特别是铁芯槽与线棒间填充的半导体硅橡胶老化失去弹性后,线棒的振动和磨损会加剧。
f.线棒接头采用含铅40% ,锡60%的铅锡焊焊接,容易造成接头受热熔化导致拉弧损坏绝缘而短路。
g.碳粉和油垢附着在线棒表面,影响散热系数,降低散热效果,特别是粘到定子绕组的端部,会影起端部局部温度高,同时会产生小电容电流,影起绝缘表面闪络,降低绝缘阻值。
h.频繁地开停机。由于我站为径流式电站,库容量较小(仅为1972万方),再加上本地电网容量不大,电站经常在电网中担任调峰任务。
i.电站附近工业园区兴办的自供电高耗能的冶炼厂和化工厂产生的高次谐波对机组的温升和振动都有影响。
 
2.   修复处理
     我站对发生的6次事故处理为:5次是对烧坏的线棒进行更换,局部修复处理,1次是将故障线棒甩掉,“带病”继续运行。其具体方法如下:
a.由于灯泡贯流式机组的定、转子为卧式布置,吊装定、转子极不容易,而且工作量非常大。我站针对这种情况,采用拔出转子磁极,腾出空间,然后利用有限的空间拔出线棒槽楔板;使用中频焊机或自制的变压器,采用自制的碳棒钳夹住线棒接头的两侧通入大电流,使其铅锡焊迅速熔化焊开损坏线棒的接头,最后拔出损坏线棒;清理槽间隙中老化的半导体硅橡胶;把新的半导体硅橡胶均匀注入到槽隙内,立即嵌入新线棒并固定好线棒端部;采用石棉粉、固化剂加入适当比例的水拌合成带有粘度的石棉泥做成模胚,再用自制的碳棒钳夹住线棒接头通入大电流,用铅锡焊条(铅40%,锡 60%)焊好线棒并头套,装好槽楔板;注入半导体硅橡胶填满间隙;用无水乙醇清理干净线棒端部,包好端部的绝缘;使用高压喷枪吹入高压气体对定子线棒的端部、转子等部位有碳尘污染的进行清扫,有必要使用GX-25电器设备清洗剂喷洗定子线棒端部等其他部位;视情况用铁红聚脂绝缘覆盖漆(8037型)进行全部或局部喷刷漆处理,以增强绝缘强度。
b.考虑水情较好,对于2003年6月19日2#机组发生的故障,我们采用制作一根跳线棒将A相的222槽下层线棒和326槽上层线棒甩掉的方法让机组“带病”运行。
 
3.   预防措施
a.合理调度减少开停机次数,不超负荷运行。
b.端部加固处理:在相邻的上层线棒或下层线棒斜边间打入合适的浸胶玻璃布板;槽口线棒间打入合适的浸胶玻璃布板;并将打入的玻璃布板垫块棱角打磨圆滑,采用Φ3涤纶绳绑扎,必要时可打入Φ10环氧销定位(浸环氧胶),以确保其端部整体性和稳定性。
c.在近区供电35KV开关站增设消除高次谐波的装置。
d.加强发电机端部,线槽,热风,冷风温度的监视。
e.消除碳粉,油雾的污染,应定期和不定期的进行清扫除尘。对发电机滑环和碳刷进行改造,减少碳刷用量,减轻碳粉污染。现已对2#机组滑环和碳刷进行改造,效果较好,正准备对1#、3#机实行同样改造。
f.改善其运行环境。运行人员加强对机组加热器和除湿机的巡视,及时修理故障的加热器和除湿机,保证其正常运行,防止发电机线圈受潮。对灯泡头内壁重新刷SFL型防凝结露漆,防止发电机内壁有凝露现象发生,从而提高发电机的绝缘水平。
g.加强对发电机的绕组直流电阻的监测,了解发电机线棒接触情况。一旦发现三相绕阻直流电阻异常(与历年数据相对比),应立即检查并及时加以处理。
 
4.   几点思考和建议
4.1   测量冷却系统的风压和风量,是否有必要增加轴流风机的功率或台数,或改为其它冷却方式,或改进风路结构,改善发电机温升分布,减少风阻,增加冷却风量等措施降低绕阻温升,延缓绝缘材料老化,延长其使用寿命。
4.2   将线棒接头焊接材料改用锡银焊、锡铜焊或锡银铜焊替换现在的铅锡焊(铅40%、锡60%),提高熔点温度,防止因焊接质量不佳,接触不良,接触电阻过大,焊点熔断拉弧烧坏中性点及其附近的连接线。
4.3   装设发电机定子绝缘在线监测装置,以在线监测及诊断技术为基础,对设备通过纵向(历史和现状)、横向(同类设备的运行情况)的比较分析,掌握其状态信息,对变化发展趋势及使用期限等做出预测,制定出维修计划,打破原有的计划检修,实行状态检修。
4.4   应对主绝缘老化程度进行诊断,老化特征进行研究,依照DL/T492-1997《发电机定子绕阻环氧粉云母绝缘老化鉴定导则》对发电机主绝缘老化程度进行诊断,测算其绝缘剩余寿命,以便决策更换全部线棒,还是进行线圈局部修复处理。
4.5   考虑联系国内发电机线棒专业生产厂家制作符合要求的定子线棒对发电机定子绕组进行整体更换,这样既能排除故障隐患、恢复发电机的性能,还可考虑单机增容问题,改善防晕性能,提高绝缘材料等级等,以保证我站安全生产的连续性和可靠性。
参考文献
[1]   Yosrida H.  Umemoto K. Insulation Diagnoslics For Rotating Ma-crinr Insulation [c].IEEE Trans on EI.  1986.21(6):1021-1026.
[2]   贾志东,乐波,等,发电机定子主绝缘老化特征的研究[J]电网技术,2000。
[3]   李伟清,王绍禹,发电机故障检查分析及预防[M],北京:中国电力出版,1996。
[4]   DL/T492—1997,发电机定子绕组环氧粉云母绝缘老化鉴定导则[S]。
 

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