三峽右岸電站水輪發(fā)電機氣隙傳感器故障分析及對策

唐博進，唐敦浩，葉華松

（1. 中國長江三峽工程開發(fā)總公司機電工程部，湖北 宜昌 443002；2. 中國長江電力股份有限公司三峽水利發(fā)電廠，湖北 宜昌 443002）

三峽右岸電站水輪發(fā)電機氣隙傳感器故障分析及對策

唐博進1，唐敦浩1，葉華松2

（1. 中國長江三峽工程開發(fā)總公司機電工程部，湖北 宜昌 443002；2. 中國長江電力股份有限公司三峽水利發(fā)電廠，湖北 宜昌 443002）

三峽右岸電站23號機在起動調(diào)試過程中，因部分氣隙傳感器燒損脫落導致機組被迫停機檢修，拆除了所有同型號傳感器。本文介紹了調(diào)試過程中此事故發(fā)生的具體情況和處理方案，并根據(jù)所用傳感器的結構和現(xiàn)場事故情況分析推斷可能的故障原因——渦流發(fā)熱。最后在此基礎上，提出了解決方案。

水輪發(fā)電機；氣隙傳感器；渦流發(fā)熱

引言

三峽右岸電站裝機12臺，其中4臺是中國哈爾濱電機廠有限責任公司（以下簡稱哈電）生產(chǎn)的700MW巨型空冷水輪發(fā)電機組（以下簡稱哈電機組），分別是23～26號機組。其設計系根據(jù)三峽左岸電站ALSTOM機組的成功方案加以改進，發(fā)電機定子840槽，采用每相5分支并聯(lián)結構，轉(zhuǎn)子磁極為40對極，轉(zhuǎn)子支架及定子機座采用ALSTOM的斜元件結構，此結構通過中心體的微小旋轉(zhuǎn)補償拉伸作用力，使得在熱膨脹和半數(shù)磁極短路時有較好的應力分布。哈電在ALSTOM機組定子繞組水冷卻方式的基礎上，進行了重大的技術創(chuàng)新，大膽采用了全空冷的冷卻方式[1]。從右岸各臺哈電機組投產(chǎn)的情況來看，做到了各方面指標一臺比一臺好，達到了鐵心各處溫差和線棒各處溫差在 10K以下，而推力瓦溫差在3K以下。哈電機組的空冷方式經(jīng)實踐檢驗證明取得了巨大的成功。

為更好地監(jiān)測機組運行情況，三峽右岸電站決定在哈電機組最后一臺投產(chǎn)的23號機上加裝定轉(zhuǎn)子氣隙監(jiān)測系統(tǒng)。此前在三峽右岸由東方電機股份有限公司（以下簡稱東電）供貨的16號機組上也加裝了另一種氣隙監(jiān)測系統(tǒng)，從2008年6月30日此機組投入商業(yè)運行至今，該氣隙監(jiān)測系統(tǒng)工作正常。

三峽右岸23號機的氣隙傳感器由薄銅片外包塑料絕緣層組成，其原理是通過測量平板電容的值間接測量氣隙大小。氣隙傳感器安裝在定子鐵心內(nèi)表面，其中平板電容的兩極一端由傳感器的薄銅片組成，另一端由轉(zhuǎn)子磁極組成。于是可從平板電容的電容值C推算出定轉(zhuǎn)子氣隙d：

其中ε0、εr分別是真空介電常數(shù)和電容器中介質(zhì)的介電系數(shù)。在東電供貨的16號機組上安裝的氣隙傳感器也基于以上原理。

1 故障情況介紹

2008年8月14日16時三峽右岸電站23號機首次開機，此后順利完成額定轉(zhuǎn)速空轉(zhuǎn)、發(fā)電機升流、校核保護、短路特性測量、發(fā)電機單相接地及空載特性試驗，于15日0時完成115%和152%過速試驗。根據(jù)調(diào)試階段的定轉(zhuǎn)子間隙在線檢測系統(tǒng)的記錄，氣隙傳感器的信號在實驗中一直保持正常，直至14日23時06分有兩個傳感器信號突然消失。此時正在進行發(fā)電機空載特性升壓試驗，電壓從零第一次上升達到 90%額定電壓。此后，發(fā)電機電壓繼續(xù)上升至110%額定電壓，再降為零。隨后進行了過速試驗，過速后的檢修中檢查發(fā)現(xiàn)了氣隙傳感器的碎片，進一步的檢查確認為兩個空氣間隙傳感器損壞，其中一個傳感器還從定子上脫落，被高速運動的轉(zhuǎn)子打成了碎片。調(diào)試指揮部決定吊出一個磁極，轉(zhuǎn)子圓度盤車測量的同時進行其余6個氣隙傳感器的拆除、清理工作，并進行其他檢查和必要的修復工作。

拆除檢查中發(fā)現(xiàn)，燒損脫落的兩個傳感器分別位于+Y方向（630槽）、中性點（105槽）處，此二處的定子鐵心及槽楔均有燒灼痕跡，如圖 1所示。而 105槽處的傳感器如圖2所示。

圖1 氣隙傳感器處的鐵心

此傳感器正面相對完好，但背面燒損嚴重（參看圖2），尤其是邊緣部分以及和定子通風溝對應之處，傳感器外層包裹的塑料絕緣層均已經(jīng)大面積燒毀，露出了裸銅。定子上被傳感器覆蓋部分的槽楔和鐵心疊片處均有燒焦碳化的痕跡，一部分是傳感器外層的塑料熔化物，另一部分則來自于槽楔的環(huán)氧材料和安裝傳感器時所用的環(huán)氧膠。

圖2 燒損的氣隙傳感器背面視圖

2 故障原因分析

由于東電生產(chǎn)的16號機組也采用了氣隙傳感器，但沒有出現(xiàn)類似的情況，因此首先想到的故障原因是由于哈電機組采用空氣冷卻方式，而氣隙傳感器安裝時堵塞了對應的定子通風溝，導致散熱不良溫升過高。此種猜測隨即被否決，因為從監(jiān)控系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)中可以看到對應線棒的溫度并沒有大幅度升高。且氣隙傳感器面積較小，遮擋住的通風溝較少，線棒發(fā)熱仍然可以通過周圍的鐵芯傳導發(fā)散，不至于引起塑料層和環(huán)氧槽楔燒損。

從定子鐵心槽楔的燒損情況來看，發(fā)熱源應該是鐵心表面的氣隙傳感器，而不是內(nèi)部線棒和鐵心，否則整個槽楔都應該有燒損而不僅是覆蓋了傳感器的一側(cè)。由于定轉(zhuǎn)子間有很強的交變磁場，并幾乎垂直穿過傳感器的薄銅片，其上會感應出較強的渦流，這是發(fā)熱的能量來源。氣隙傳感器因渦流成為發(fā)熱源，這解釋了鐵心槽楔的燒損偏在傳感器一側(cè)的情況。但是這不足以解釋為什么磁場同樣垂直穿過線棒，但線棒的渦流發(fā)熱沒有導致溫升過高而燒損。

我們?nèi)∫欢我?guī)則導體為模型，設其截面積為nS，長度為l，電阻率為ρ。加電壓U于其上，則電流為：

其中R是這段規(guī)則導體的電阻，E是導體中的電場強度。而這段導體的單位體積發(fā)熱功率為：

其中V是這段導體的體積，σ是導體的電導率，它與電阻率互為倒數(shù)。上述式（3）雖然是通過規(guī)則導體的電流發(fā)熱推導出來的，但實際上也適合不規(guī)則導體和不均勻電場，因為只要所取的導體元足夠小，其內(nèi)的電場就可以看作是均勻的。

渦流發(fā)熱是由于交變的磁場產(chǎn)生交變的電場，從而產(chǎn)生電流導致發(fā)熱。根據(jù)楞次定律，設導體在與磁力線垂直方向上的截面積為S，則感應電動勢為：

其中φ是通過面積S的磁通，而B是對應的磁感應強度。感應電動勢SU 在導體中產(chǎn)生電場，它是一個非保守場，它滿足：

上式中積分號下的SC 是面積S的周長路線，此積分是一個環(huán)路矢量積分。進而推出：

其中用到了式（4）。式（6）的物理意義表明?，在交變磁場下，使導體中產(chǎn)生渦流的感應電場強度的平均值取決于兩個因素，一個是物理形狀，它由來表征；另一個因素是。如果交變磁場是正弦規(guī)律，則：

式（7）表明，感應電場強度與最大磁感應強度以及交變頻率成正比，這也符合常理。現(xiàn)在將式（6）、（7）式代入式（3），導體內(nèi)因渦流的單位體積發(fā)熱為：

其中下標sens表示傳感器，下標bar表示線棒。

氣隙傳感器是一塊矩形薄銅片，磁力線垂直于銅片穿過，面積為 Ssens= m n，其中m和n分別是長和寬，分別是45cm和7cm左右，周長為 Csens= 2 (m + n )。而哈電機組的定子線棒是由一組互相絕緣的扁銅條采用328°不完全換位繞制而成。扁銅條寬度大約7mm，沿磁力線方向厚度不到2mm，長度則貫穿整個定子線棒，大于3m。若不考慮換位的扭曲影響，將磁力線穿過線棒的橫截面也近似為矩形，則面積 Sbar= M N，其中M取3m，N取7mm，周長 Cbar= 2 (M + N )。

將 Ssens、 Sbar、 C1和 C2代入式（9），可以得到傳感器與線棒單位體積發(fā)熱量之比：

式（10）只是一個粗略的近似計算，但由此可以看出氣隙傳感器單位體積的發(fā)熱量是線棒的數(shù)十倍！這很好地解釋了為什么線棒的渦流發(fā)熱不會導致溫升過高而氣隙傳感器卻無法克服渦流發(fā)熱的問題。

3 故障處理對策

三峽右岸23號機組上采用的氣隙傳感器標稱的工作磁感應強度為 1.5T，而哈電機組正常運行時的氣隙平均磁感應強度為 0.98T左右，似乎應該可以承受。但是三峽右岸23號機的氣隙傳感器是安裝在鐵心的齒部，相對于鐵心的槽部，齒部磁感應強度較大。根據(jù)哈電的電磁場計算程序，鐵心齒部的磁感應強度局部甚至可以達到 1.8T。且傳感器損毀發(fā)生在機組起動調(diào)試的空載特性升壓試驗階段，定子繞組電壓最高曾達到額定值的110%，此時氣隙的磁感應強度比額定值偏大，這也增加了傳感器的渦流發(fā)熱。兩個因素疊加，對氣隙傳感器的渦流發(fā)熱承受能力提出了更高的要求。

圖3 空載時的磁場分布示意圖

可見，通過開槽能使傳感器發(fā)熱大為減小，此開槽方案幾乎是原有傳感器發(fā)熱量的 1/75，完全可以承受由于局部磁場不均勻以及電樞反應所帶來磁感應強度增大，避免機組起動試驗中發(fā)生燒損的情況。以上銅片開槽方案是垂直方向，也可以選擇水平開槽方案，同樣可以有效減少渦流發(fā)熱，此處不再重復計算。

三峽右岸東電機組設計的定子齒部磁感應強度為1.52T，氣隙磁感應強度為0.91T。16號機組上所采用的氣隙監(jiān)測系統(tǒng)選用了 Vibrosystem公司的氣隙傳感器，標稱耐受工作磁感應強度是 1.8T，因此有足夠的裕度來承受機組起動調(diào)試和正常運行時的渦流發(fā)熱。

4 結語

近年來，定轉(zhuǎn)子氣隙監(jiān)測系統(tǒng)逐步在大型水輪發(fā)電機組上開始采用，此系統(tǒng)能有效地避免因定轉(zhuǎn)子間氣隙變小引起的災難性事故。但平板電容式氣隙傳感器的使用經(jīng)驗還有待完善。為避免出現(xiàn)此類事故，應注意氣隙傳感器的選型。采用開槽的平板電容式傳感器可以有效地抑制渦流發(fā)熱，對于提高氣隙監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性有重要的作用。

[1] 劉平安. 三峽右岸電站840MVA全空冷水輪發(fā)電機技術[J]. 大電機技術, 2008, (4): 1-5.

Analysis of Gap Sensor’s Fault in Three Gorges Right Bank Power Station 23rdUnit Commissioning and Its Countermeasures

TANG Bo-jin1, TANG Dun-hao1, YE Hua-song2
(1. China Three Gorges Project Corporation Mechanical & Electric Department,Yichang 443002, China; 2. Three Gorges Hydropower Station, Yichang 433002, China)

Due to gap sensors burned and fall off in the 23rdunit startup commissioning, it was compelled to shutdown and maintained, all of the same type gap sensors were removed. This paper described the detail of the event and field solutions. Based on the analysis of the sensor structure and the field condition, the most possible cause was concluded—eddy current heating. On this basis, this paper presented a countermeasure to solve the problem.

turbine generator; gap sensor; eddy current heating

TM312；TM154

A

1000-3983(2010)01-0037-04

2008-10-14

唐博進(1982-)，2006年畢業(yè)于清華大學電機系，獲工學碩士學位，主要從事水電站機電設備安裝調(diào)試項目管理工作，工程師。