大型水內冷發電機定子線圈泄漏缺陷處理實踐與研究

關 高

(三門核電有限公司，浙江 臺州 317112)

大型水內冷發電機定子線圈泄漏缺陷處理實踐與研究

關 高

(三門核電有限公司，浙江 臺州 317112)

發電機端焊接缺陷是發電機長期運行后比較普遍的現象，在各個制造商各種規格的發電機定子線棒水內冷機組上都有發生。部分電廠由于處理不當，導致定子線棒運行中過熱，損壞線棒絕緣，造成巨大的經濟損失。本文著重介紹了對于這種缺陷的查找及處理方法的實踐與研究。

發電機；線圈；泄漏；處理

1 前言

發電機在運行中如果定子線棒存在漏點，會導致在運行期間氫氣向冷卻水中泄漏。如果泄漏量較大，則有可能在線圈內部匯集，使冷卻水流量降低，嚴重時可形成氣堵，使線圈過熱甚至熔斷，損壞發電機定子線圈絕緣甚至鐵心，需要數月或更長時間才能修復。某廠1號發電機自2001年以來的連續5次大修中，均在定子線棒端部發現漏點，投入了大量的人力進行漏點的修復工作。經過幾年的實踐和研究，在發電機定子線圈漏點的查找和修復上形成了一套行之有效的方法。

該廠使用的是 ALSTOM 生產的百萬千瓦級發電機，其主要參數如下：

本機定子線圈為雙星形結構，共42槽，每槽兩根線棒，組成42個線圈。所有定子線圈的導線均為空心結構，其具體尺寸如下：

發電機線棒端部的結構剖面模型見圖1。

圖1

2 漏點的查找

發電機運行期間，氫氣與定子冷卻水之間壓差為0.4bar。當線圈有漏點存在時，氫氣向冷卻水回路的滲透速率增加，滲入到水中的氣泡在集氣罐的氣水分離室中儲存起來，當氣體充滿整個集氣腔時，排放閥動作，排放出氣體，排放閥定時動作時間設定為4h。因此，從氫氣排放閥的動作時間上可以判斷出定子線棒是否存在漏點。制造廠在運行規范中對排氣時間的說明為：“儲氣罐的正常排放時間為4h，低于2h允許繼續運行， 低于30min建議停機處理，任何情況下排氣時間不能低于15min”。在氣體排放閥動作時間小于4h的情況下，即表明發電機定子線圈存在漏點。

滿功率運行期間，發電機定子線圈的進水口水壓力為4.6bar，出水口壓力為1.2bar左右。如果排放閥動作時間小于4h，在運行階段有必要進行一次變化氫壓的試驗，以判斷漏點的所在區域。如當氫壓升高以后，排氫時間明顯縮短，則表明漏點位于進口匯水環側，若沒有明顯變化，則說明漏點位于出水匯水環側。通過氫壓變化的試驗，可以大致判斷出漏點的影響，同時也為停機檢修時的漏點定位打下很好的基礎。

2.1 查漏前的準備工作

定子線圈的干燥狀態是決定漏點定位成敗的關鍵。歷次大修中，往往漏點修復后再次查漏確認時又發現新的漏點。未完全干燥的線圈在某個部位可能積聚成水屏，當線圈內部充滿查漏氣體時，氣體無法穿透水屏，造成查漏失敗。

干燥線圈最有效的方法是在發電機定子冷卻水排空之后，通過高壓干燥的壓縮空氣對線圈內部進行全面的吹掃再抽真空。通過實踐，采取以下方法可以較快地干燥發電機線圈：

· 進氣口壓力可調整至8～10bar，線圈吹掃過程中保持氣體出口在“大開口”狀態，以使流經線圈內部的空氣高速流動，提高吹掃效果。

· 由于線圈經過羅貝爾換位處理，某些區域積聚的水分很難吹出，在單方向無法吹出水后，調整進氣方向，直至無水吹出為止。

· 在雙方向均無水吹出后，采取調整進氣壓力的方法。可將進氣壓力降低，之后突然打開進氣閥并不斷重復，直至無水吹出為止。

· 發電機定子線圈內部憋壓 2～3bar，然后突然打開排氣閥，重復操作直至無水吹出為止。

· 用大功率的真空泵對線棒內部持續抽真空，直至真空泵進氣管表面無水珠凝結為止（需采用抽蒸汽用真空泵或加裝振氣閥，否則會損壞真空泵）。

采用以上方法，一般可以在36～48h內將發電機定子線圈內部較為徹底地干燥。

2.2 漏點的定位

在判斷漏點所在的線棒位置前，通過壓力試驗和真空試驗來判斷漏點的可定位性，否則必須進一步處理，使漏點顯現出來。

· 真空試驗和壓力試驗

真空試驗的優點是其對溫度及環境壓力變化不敏感，缺點是壓差較小。

壓力試驗與真空試驗相比具有一個比較明顯的優點，就是它具有比真空試驗更高的壓差。這可以使壓力試驗更容易發現一些真空試驗無法發現的漏點。缺點是壓力試驗受大氣壓力及環境溫度的影響比較大。由于定子線圈內充滿了大量氣體，微小的壓力變化即表示有很大的泄漏量，因此，對壓力表的精度要求也就比較高。在進行壓力試驗和真空試驗時，線圈內的干燥度很重要，如果濕度比較高，則在壓力試驗時水汽會通過沒有發現的漏點滲透到絕緣中，如之后沒有排除，則有可能在運行中引起絕緣的局部損壞。而進行真空試驗時，如果線圈有積水或內部股線及PTFE水管上附著有水汽，將很有可能導致真空試驗的失敗，造成試驗結果的誤判斷。

推薦使用氦氣作為壓力試驗的氣體，因為氦氣分子與氫氣分子的直徑最為接近，能夠真實地反映運行中的狀態。市場上有各種靈敏度的氦氣檢漏儀，可以在壓力試驗過程中進行漏點定位。

· 用示蹤氣體定位漏點所在線棒

水壓試驗很難對漏點準確定位，同時水壓試驗也有可能損壞絕緣，因此不建議使用水壓試驗來查找漏點。可以采用氦氣或鹵族氣體作為示蹤氣體來定位漏點。一般鹵族氣體可采用氟里昂、六氟化硫等。鹵族氣體分子量大，在多次查漏后很容易沾附在絕緣層上，很難清理，影響定位效果，同時某些鹵族氣體對環境也有污染。氦氣與氫氣最為相似，能真實模擬運行期間狀態，因此推薦采用氦氣作為示蹤氣體，其缺點是價格較昂貴。

在用示蹤氣體查漏前，用塑料布將每個線圈端部包扎嚴密，形成獨立的空間。用檢漏計探針對每個空間單獨檢測，可以提高漏點定位的準確性。

有經驗數據表明，在剝除絕緣后，當氦氣的漏量至少 10-4CC/s時，85%的情況可以找到漏點并進行修復，另外 15%的情況往往由于漏點比較多而且分散，沒有修復的可能[2]。

根據美國GE公司統計的2001年來由于絕緣受潮而導致耐壓試驗失敗的查漏數據(圖2)，即使通過了壓力試驗和真空試驗，也并不能保證發現漏點：

· 大部分都能通過真空試驗

· 約50%能通過壓力試驗

· 基本上所有漏點可以通過氦氣檢漏試驗發現。

數據表明了選擇氦氣進行壓力試驗和示蹤氣體的重要性。

圖2

· 用檢漏液定位漏點的具體位置

確定漏點所在線棒位置后，剝除端部手包絕緣，在線棒內部充入示蹤氣體，通過示蹤氣體檢漏計和檢漏液共同確認漏點所在位置。2001年至2007年間，在1號發電機組端部發現的漏點位置分布見圖3。漏點所在區域見圖4。

3 漏點的修復

3.1 漏點的處理

線棒端部漏點根據不同的位置采取不同的方法進行處理。

· 表面可見漏點焊接修復。具體操作以氬弧焊(TIG)和小火把焊為主，可采用熔點200～250oC的低溫錫焊料。當漏點所在位置的金屬強度較高時，采用熔點600oC的銀-銅釬料氬弧焊接方法修復。典型的位置是水盒蓋焊縫、空心股線表面漏點等，如漏點較大，則可用銅片覆蓋再行焊接。當漏點較小而無法定位時，采用銅質金屬修補劑的方法修補，也可以取得很好的效果，如 TS114。這種方法修復的漏點往往可以與發電機的壽期相比，具有很高的可靠性，典型漏點如圖5所示。

圖3

圖4

圖5

· 對于無法觸及的漏點，如水盒與空心股線之間的焊縫缺陷，在現場條件下采用整體重新焊接的方法難度較大，風險很高，我們采用注密封膠的修補方案。操作前將定子線圈抽真空至600mbar左右，之后注入密封膠，確認密封交已被吸入漏點后停止抽真空，固化8h即可基本達到需要的強度。密封膠必須要選取流動性較好，滲透級別較高的厭氧型密封膠，否則可能由于操作問題造成密封膠在股線出口處凝固，堵塞空心股線。目前采用的厭氧型密封膠有LOCTITE 290，及專門用于裂紋、微小砂眼修復的TS121等。用這種方法修復的漏點一般可以維持3～5年的時間。典型漏點見圖6。

圖6

· 堵管這是迫不得已采用的措施，封堵泄漏的某根空心導線。當檢查發現漏點較大，且無法接觸時，典型的如“電磁蟲”所引起的缺陷。這種方法需要焊開線棒端部的水盒蓋進行處理，對操作要求比較高。我們還沒有進行過這方面的工作，韓國Kori電廠以這種方法修復了電磁蟲產生的漏點[1]。

當漏點處理完成后，如通過了壓力試驗和真空試驗，即認為漏點處理成功，開始進行端部手包絕緣的恢復。

3.2 絕緣的恢復

水電接頭的絕緣恢復是至關重要的一步，ALSTOM 發電機定子線圈端部采用玻璃絲帶綁扎固定，玻璃絲布浸環氧樹脂的方式做成，在相間接頭之間安裝有隔板，以增加爬電距離。發電機定子為雙星形繞組，26kV端電壓，定子上開有42個槽，即共42組線圈。因此分配到每極每相的線圈數為：a=Z/2p=42/（2×3）=7，則每兩個線圈之間的電壓為：2.14kV。氫氣的起暈電壓為空氣的 40%，兩個端部接頭之間距離約為20cm，擊穿電壓達240kV。因此，端部絕緣的包扎主要不在于絕緣的強度，而在于是否密實并將裸露的導體全部覆蓋，以防止端部受到污染時(如焊縫滲水等)形成爬電，造成匝間/相間短路引發事故。

3.3 絕緣的檢驗

由于交流耐壓試驗對絕緣的破壞作用，加上交流耐壓試驗不能夠有效發現端部的缺陷，我們采用直流泄漏試驗對恢復后絕緣強度進行檢驗，試驗電壓2.0Un，即52kV。

自2002年以來，我們通過以上查漏、檢漏和處理漏點的方法，先后多次處理了該發電機定子線棒的漏點，并取得了很好的效果，具體總結見表1。

表1

4 總結

綜上所述，水內冷發電機定子線圈的漏點處理可以總結為3種方式：

（1）對于定子線圈外部可見漏點可采用焊接和金屬修補劑處理的方法，實踐證明在焊接質量和風險可以控制的前提下，錫焊或銅焊的質量均優于金屬修補劑處理的質量。

（2）對于定子線圈水盒與股線間不可見的焊縫，可采用注密封膠的方法處理。

（3）位于某根股線上的漏點較大且無法接觸時，可以采用堵塞泄漏股線的方法。

發電機定子線圈缺陷處理過程中，采用本文所述的方法，可對線圈內部快速充分干燥，漏點定位準確，如選取合適的方案，絕大部分情況下的漏點均可以得到有效處理。

[1] Joon Soo Kim, Young Jak Roh, Hee Sig Shin.Hydrogen to Stator Cooling Water System Leaks Due To Wormholes[C]//. Proceedings of 2000 International Joint Power Generation Conference,Miami Beach, Florida, July 23-26, 2000.

[2] Joseph A. Worden Jorge M. Mundulas Understanding, Diagnosing, and Repairing Leaks in Water-Cooled Generator Stator Windings[R].GE,2001.

[3] 王建濤, 關高. 大型氫冷發電機定子線棒漏氫修復后的試驗[J]. 發電設備, 2007, (4).

Study of Repairing Generator Stator End Winding Leakage

GUAN Gao
(Sanmen Nuclear Power Company, Taizhou 317112, China)

Brazing defect of stator coil ends is a common phenomenon on generators, which happened in many types of water-cooled generator. There are many cases of local overheating caused by improper treatment that leads to large damage for plant operation. Here we emphasize on how to find and eliminate this defect.

generator; coil; leakage; treatment

TM307

B

1000-3983(2010)01-0027-05

2008-10-08

關高（1972-），1996年畢業于哈爾濱工業大學電子儀器及測量技術專業，學士，從事核電廠電氣維修領域工作12年，高級工程師。