300MW汽輪發(fā)電機(jī)定子絕緣故障原因分析及現(xiàn)場(chǎng)處理措施

引言

張家口熱電廠1號(hào)發(fā)電機(jī)為哈爾濱電機(jī)廠生產(chǎn)的0FsN-300-2型汽輪發(fā)電機(jī),額定電壓20kV,額定電流10190A,額定功率300MW,額定轉(zhuǎn)速3000r/min,頻率50Hz,冷卻方式為水-氫-氫,F級(jí)絕緣,生產(chǎn)日期為2008年12月,于2009年12月投產(chǎn)。定子鐵芯由高導(dǎo)磁、低比損耗的無(wú)取向冷扎硅鋼板沖制的扇形片疊壓而成,每張沖片的兩面均涂絕緣漆處理過(guò)。鐵芯通過(guò)18根定位筋固定在機(jī)座上,兩端通過(guò)無(wú)磁性壓指及壓圈緊固成整體,以確保壓緊鐵芯。鐵芯沿軸向分成64段,每段鐵芯間形成約8mm的徑向通風(fēng)溝。定子端部邊段鐵芯長(zhǎng)約40mm,且在齒部呈階梯型,以增加漏磁阻,避免軸向磁通在齒端過(guò)于集中。同時(shí)在兩端壓圈外側(cè)用特制的銅屏蔽板覆蓋,以減小端部鐵芯的損耗和發(fā)熱量,滿足發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行要求。

1故障排查

2017年12月27日,1號(hào)發(fā)電機(jī)運(yùn)行中發(fā)變組保護(hù)A柜(南瑞繼保RCs-985A）、B柜(國(guó)電南自DGT-801B）定子接地保護(hù)同時(shí)動(dòng)作跳閘,廠用電源切換至啟備變,1號(hào)機(jī)組解列停機(jī)。從動(dòng)作數(shù)據(jù)看,相電壓UA=37.87V,明顯低于正常值57.74V,同時(shí)保護(hù)A、B屏發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電壓UN=36.15V均大于定子接地靈敏段定值25V,因此初步判斷故障相為A相。

(1）立即組織對(duì)發(fā)電機(jī)機(jī)端PT進(jìn)行直阻、絕緣、空載電流、交流耐壓試驗(yàn)檢查,未發(fā)現(xiàn)異常。

(2）拆開發(fā)電機(jī)出口及中性點(diǎn)軟連接,使用5000V兆歐表對(duì)發(fā)電機(jī)封閉母線、主變低壓側(cè)、高廠變高壓側(cè)、勵(lì)磁變一次回路加壓進(jìn)行絕緣試驗(yàn),絕緣電阻為5000MΩ,排除發(fā)電機(jī)外部故障。

(3）使用發(fā)電機(jī)水內(nèi)冷專用兆歐表對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組加壓2500V進(jìn)行絕緣試驗(yàn),未發(fā)現(xiàn)異常。

(4）使用直流高壓發(fā)生器(型號(hào)ZKZN-60kV/200mA）對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組進(jìn)行直流耐壓及泄漏電流試驗(yàn),如表1所示,B、C相合格,A相升壓至13.5kV時(shí)放電,判斷為發(fā)電機(jī)A相故障。

(5）發(fā)電機(jī)退氫并拆除汽側(cè)、勵(lì)側(cè)上端蓋及內(nèi)端蓋后,對(duì)發(fā)電機(jī)A相進(jìn)行直流電壓沖擊試驗(yàn),發(fā)電機(jī)汽側(cè)接近12點(diǎn)鐘方向有放電現(xiàn)象,如圖1所示,判斷此處為故障點(diǎn)。

2檢查結(jié)果

(1）發(fā)電機(jī)抽轉(zhuǎn)子解體后檢查發(fā)現(xiàn),汽側(cè)12點(diǎn)鐘方向定子#34和#35槽的汽端邊段鐵芯存在松動(dòng)和斷齒現(xiàn)象,#34、#35槽鐵芯未退槽楔前如圖2所示。

表1發(fā)電機(jī)定子繞組直流耐壓及泄漏電流試驗(yàn)

圖1試驗(yàn)中發(fā)電機(jī)汽側(cè)12點(diǎn)鐘方向故障點(diǎn)放電

圖2#34、#35槽鐵芯未退槽楔前

(2）發(fā)電機(jī)汽側(cè)另有#22、#47、#49、#53槽4處汽端邊段鐵芯有過(guò)熱、松動(dòng)現(xiàn)象,如圖3所示。

(3）發(fā)電機(jī)勵(lì)側(cè)11點(diǎn)鐘方向發(fā)現(xiàn)一條引線壓板夾件螺栓松動(dòng),如圖4所示。

(4）拆除故障#35槽上層線棒后檢查發(fā)現(xiàn),#35槽上層線棒與汽側(cè)#35槽邊段鐵芯接觸面處絕緣磨損,導(dǎo)致線棒擊穿接地,如圖5所示。

3原因分析

汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈接地主要原因是由于定子邊端鐵芯疊片松動(dòng)所致。發(fā)電機(jī)運(yùn)行中定子鐵芯承受溫度變化的熱應(yīng)力、電磁轉(zhuǎn)矩和雙倍頻率的橢圓震動(dòng)。在端部鐵芯齒上,由于漏磁的軸向拉力,引起軸向震動(dòng)。

鐵芯震動(dòng)還會(huì)損壞疊片絕緣:鐵芯局部過(guò)熱會(huì)使疊片絕緣過(guò)早老化:由于其他零件進(jìn)入氣隙,磨壞鐵芯內(nèi)圓,均會(huì)引起疊片的片間短路。片間絕緣損壞后,致使端部鐵芯的渦流損耗進(jìn)一步增加,使齒部溫升更高,當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí),鐵芯片間絕緣將全部損壞,最后造成片間燒熔短路,甚至燒壞相鄰線棒的絕緣。

有的鐵芯在運(yùn)行一段時(shí)間后,鐵芯齒部松動(dòng),甚至端部鐵芯的齒部折斷。鐵芯震動(dòng)和齒部折斷,碎片在交變電磁力和通風(fēng)作用下,可能會(huì)飛起打壞絕緣或被夾在鐵芯齒部與線棒之間上下震動(dòng),將定子線棒鋸出一道窄槽,最終將線圈絕緣磨損而接地。

一般說(shuō)來(lái),鐵芯損壞和發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì),特別是與鐵芯制造有關(guān)。

4現(xiàn)場(chǎng)處理措施

針對(duì)上訴分析,采取以下一些現(xiàn)場(chǎng)處理措施:

（1）更換磨損的#35槽上層線棒。

（2）對(duì)#35槽邊段鐵芯斷齒的處理:拆除相鄰#34槽上層線棒,經(jīng)絕緣檢測(cè)、預(yù)防性耐壓試驗(yàn)、水管保壓試驗(yàn)合格:對(duì)斷齒處進(jìn)行打磨、電腐蝕,將沖片翻開插云母片,做一個(gè)絕緣"假齒"鑲嵌在斷齒部位,利用槽楔將其固定,以防脫落。

（3）對(duì)#22、#47、#49、#53槽等汽端邊段鐵芯松動(dòng)處進(jìn)行電腐蝕、插云母片處理。邊端鐵芯鐵損試驗(yàn)合格后涂黏結(jié)漆。

（4）使用鐵芯拉伸專用工具對(duì)發(fā)電機(jī)汽、勵(lì)兩端鐵芯定位筋螺母,按照規(guī)范進(jìn)行拉伸處理,液壓拉伸工具壓力為80MPa。

對(duì)鐵芯處理結(jié)果,用鐵損試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證?，F(xiàn)場(chǎng)鐵損試驗(yàn)使用6kV電源,設(shè)計(jì)值為磁通密度1.4T,齒最大溫升不應(yīng)超過(guò)25℃,齒間最大溫差不超過(guò)15℃,使用紅外熱成像儀實(shí)時(shí)觀測(cè)鐵芯溫升,以保證過(guò)熱點(diǎn)不遺漏,有效防止鐵芯過(guò)熱事故的發(fā)生。其中,#35槽邊段鐵芯處理后,經(jīng)50min鐵損試驗(yàn),測(cè)量最高溫度為34.3℃,溫升11.3℃,處理合格。在鐵損試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),#7、#11、#14、#18、#22、#25、#27、#29、#30、#31、#33、#35、#47、#49、#50、#53共16處鐵芯超溫,經(jīng)對(duì)上述位置鐵芯進(jìn)行插云母片處理后,鐵損試驗(yàn)檢測(cè)無(wú)過(guò)熱現(xiàn)象,然后在鐵芯表面噴漆,以便在下次檢修時(shí)檢查鐵芯是否發(fā)生接觸腐蝕現(xiàn)象。發(fā)電機(jī)穿轉(zhuǎn)子前最后一次鐵損試驗(yàn)時(shí)間50min,計(jì)算鐵芯單位重量鐵損1.29W/kg,小于哈爾濱電機(jī)廠提供的參考值2.39W/kg,測(cè)試數(shù)據(jù)合格。

#35槽邊段鐵芯處理前后對(duì)比如圖6所示。

圖6#35槽邊段鐵芯處理前后對(duì)比

5結(jié)論

（1）對(duì)300MW發(fā)電機(jī)進(jìn)行鐵損試驗(yàn),磁通密度1.4T,時(shí)間45min。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí),勵(lì)磁線圈端電壓為6210v,測(cè)量線圈端電壓591v,勵(lì)磁線圈電流248.2A,經(jīng)計(jì)算試驗(yàn)磁通密度實(shí)際值為1.244T,這種情況下,增加試驗(yàn)時(shí)間同樣可以滿足要求。

(2）為保障鐵損試驗(yàn)的磁通密度,本次試驗(yàn)采用6kv廠用電電源,勵(lì)磁線圈兩端分別接至6kv試驗(yàn)電源開關(guān)的A、C兩相上,這種接線試驗(yàn)必然在合閘瞬間產(chǎn)生較大的勵(lì)磁涌流和負(fù)序電流,其中勵(lì)磁涌流可能會(huì)達(dá)到勵(lì)磁線圈工作電流的10倍,所以要合理整定6kv試驗(yàn)電源開關(guān)的速斷及過(guò)流保護(hù)定值,同時(shí)要核算是否對(duì)6kv廠用電進(jìn)線電源產(chǎn)生影響并合理修訂相應(yīng)保護(hù)值。

(3）故障處理的每一步結(jié)果必須嚴(yán)格按照電業(yè)規(guī)程相關(guān)規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證合格,不得漏項(xiàng)、甩項(xiàng)。

(4）注意觀察運(yùn)行中溫度變化的影響,采取應(yīng)對(duì)措施。發(fā)電機(jī)晝夜負(fù)荷不均勻,有功負(fù)荷、無(wú)功負(fù)荷變化較大,會(huì)導(dǎo)致鐵芯溫度變化,從而使硅鋼片間夾緊力產(chǎn)生松緊變化,長(zhǎng)期反復(fù)會(huì)使定子鐵芯周期性熱脹冷縮,容易引起鐵芯齒部松動(dòng),在電磁力作用下產(chǎn)生震動(dòng)和噪聲。

(5）發(fā)電機(jī)在夜間或節(jié)假日經(jīng)常進(jìn)相運(yùn)行,定子端部邊段鐵芯軸向漏磁通增大,引起邊段鐵芯溫度升高,在電磁力作用下易引起疊片震動(dòng),可能導(dǎo)致齒部邊緣硅鋼片存在折斷隱患,運(yùn)行人員要有效控制發(fā)電機(jī),盡量減少進(jìn)相運(yùn)行。