某國(guó)產(chǎn)600 MW發(fā)電機(jī)定子端部絕緣燒損分析及處理

肖國(guó)振

(國(guó)華太倉(cāng)發(fā)電有限公司，江蘇太倉(cāng)215433)

神華國(guó)華發(fā)電企業(yè)在2000年后成批安裝國(guó)產(chǎn)600 MW汽輪發(fā)電機(jī)組，該系列機(jī)組為QFSN-600-2型水氫氫冷汽輪發(fā)電機(jī)，額定功率為600 MW、額定電壓為20 kV。定子線圈結(jié)構(gòu)為上層和下層各42根線棒，60相帶三相雙層繞組，2支路并聯(lián)“Y”連接，線棒主絕緣厚度設(shè)計(jì)值為5.4 mm，定子端部固定結(jié)構(gòu)采用美國(guó)西屋公司的剛-柔綁扎固定結(jié)構(gòu)，絕緣等級(jí)為F級(jí)。國(guó)華N廠2號(hào)機(jī)于2005年11月14日首次并網(wǎng)，12月31日投入運(yùn)行；國(guó)華T廠7號(hào)、8號(hào)發(fā)電機(jī)組分別于2006年1月26日和2005年12月8日投入運(yùn)行。2006年2月N廠2號(hào)機(jī)組在檢修中發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)汽、勵(lì)兩端定子線棒均有絕緣放電燒損碳化現(xiàn)象，為此公司專業(yè)技術(shù)人員對(duì)故障產(chǎn)生的原因、處理辦法和預(yù)防性檢查措施進(jìn)行了全面分析研究，初步摸索了該類型發(fā)電機(jī)預(yù)防性檢查、防暈治理、試驗(yàn)驗(yàn)收的辦法。在2007年，T廠相繼對(duì)7號(hào)和8號(hào)機(jī)組進(jìn)行了相應(yīng)預(yù)防性檢查，再次實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)預(yù)防性檢查、防暈治理、試驗(yàn)驗(yàn)收的方案，各機(jī)組起機(jī)后長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。該批次檢修、防暈治理、試驗(yàn)參數(shù)確定所積累的經(jīng)驗(yàn)可供同類型發(fā)電機(jī)組的預(yù)防性檢查治理參考。

1 國(guó)華N廠2號(hào)機(jī)組絕緣損壞分析與修復(fù)

1.1 故障情況

在國(guó)華NT2號(hào)機(jī)組檢修中發(fā)現(xiàn)汽、勵(lì)兩端定子線棒各有1處絕緣燒損碳化現(xiàn)象，2個(gè)故障點(diǎn)在汽勵(lì)兩側(cè)的幾何位置相同，都在4號(hào)、5號(hào)槽上層線棒之間的（距汽、勵(lì)兩側(cè)端部槽口約80 cm）水籠帶斷口附近，其中5號(hào)線棒汽側(cè)主絕緣炭化較嚴(yán)重，主絕緣炭化深度約3 mm，如圖1所示。

1.2 發(fā)電機(jī)絕緣損壞原因分析

1.2.1 故障點(diǎn)清理檢查

為查明故障原因，對(duì)故障點(diǎn)表面進(jìn)行清理。首先對(duì)線棒故障點(diǎn)燒損炭化物進(jìn)行鐵磁性檢查，發(fā)現(xiàn)碳化物中無(wú)任何鐵磁物質(zhì)存在，說(shuō)明故障不是鐵磁物質(zhì)發(fā)熱造成；然后對(duì)燒損線棒絕緣表面清理，發(fā)現(xiàn)故障線棒絕緣燒損碳化區(qū)域只發(fā)生在主絕緣外層，絕緣內(nèi)層無(wú)燒損現(xiàn)象，說(shuō)明燒損碳化過(guò)程是從外向內(nèi)發(fā)展的，故障起點(diǎn)是在故障線棒絕緣外部，即熱源在線棒表面。

將4號(hào)、5號(hào)槽上層故障線棒拆除后，對(duì)其進(jìn)行了交流耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)電壓30 kV/min，并對(duì)故障線棒解剖，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部絕緣無(wú)過(guò)熱痕跡，進(jìn)一步證明故障起點(diǎn)在故障線棒絕緣外部，排除線棒導(dǎo)體發(fā)熱的可能。另外，故障點(diǎn)距離鐵心端部80 cm，通過(guò)排除法，分別排除了線棒導(dǎo)體發(fā)熱、鐵磁物質(zhì)影響、鐵心發(fā)熱等可能因素，推出惟一可能是絕緣表面放電發(fā)熱造成絕緣表面燒損炭化。因此，對(duì)線棒的防暈性能進(jìn)行了檢查。

發(fā)電機(jī)定子端部起暈的原因是裸露或絕緣導(dǎo)體周圍的氣體在電場(chǎng)作用下，發(fā)生局部游離的輝光放電現(xiàn)象。發(fā)電機(jī)定子繞組在通風(fēng)槽口、斷部出槽口及隔相等處，其絕緣表面的電場(chǎng)分布是不均勻的。當(dāng)局部場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到臨界場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，氣體發(fā)生局部放電（輝光放電），出現(xiàn)藍(lán)色的熒光，這是一種電暈現(xiàn)象。發(fā)電機(jī)在制造過(guò)程中，由于工藝原因，絕緣層間與股線間存在間隙，在溫度場(chǎng)作用下，尤其在機(jī)組起停引起的溫度變化循環(huán)作用下，間隙會(huì)沿線棒縱向逐漸增大。當(dāng)工作電壓超過(guò)絕緣的起始放電電壓時(shí)，即產(chǎn)生局部放電。由局部放電引起的熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)逐漸加劇，使定子絕緣性能進(jìn)一步惡化，最終導(dǎo)致絕緣的損壞。當(dāng)前各國(guó)對(duì)測(cè)量局部放電量來(lái)判定電機(jī)絕緣狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)尚未取得一致意見(jiàn)，但是起暈試驗(yàn)已被證實(shí)是監(jiān)測(cè)和衡量電機(jī)絕緣狀態(tài)好壞的一種有效的手段。

1.2.2 防暈性能檢查

首先對(duì)單根線棒進(jìn)行防暈試驗(yàn),為檢驗(yàn)單根線棒的防暈性能，分別挑選了與故障發(fā)電機(jī)同批次和不同批次的線棒進(jìn)行了起暈試驗(yàn)和電暈發(fā)熱試驗(yàn)，起暈試驗(yàn)均合格[1]，即30 kV不起暈（標(biāo)準(zhǔn)1.5倍額定電壓）。但在電暈發(fā)熱試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)所有試驗(yàn)線棒兩側(cè)端部均有發(fā)熱現(xiàn)象，最高溫升24℃左右，具體數(shù)據(jù)如表1所示。試驗(yàn)條件是模擬額定電壓為20 kV，加壓1 h。試驗(yàn)儀器是10 kV·A交流耐壓裝置一套和FLIR紅外線成像儀。

表1 電暈發(fā)熱試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

試驗(yàn)線棒的發(fā)熱點(diǎn)相同，均為中低阻防暈帶的搭接處，可能存在防暈缺陷。因?yàn)闊o(wú)標(biāo)準(zhǔn)可比，所以電暈發(fā)熱試驗(yàn)只能作為防暈性能優(yōu)劣的參考，但測(cè)量20 kV涂漆防暈結(jié)構(gòu)線棒電暈發(fā)熱試驗(yàn)時(shí)的最高點(diǎn)溫升只有10℃。

對(duì)照600 MW發(fā)電機(jī)上層線圈防暈加工制造的樣本，標(biāo)定單根線棒電暈發(fā)熱試驗(yàn)的熱點(diǎn)位置發(fā)現(xiàn)，線棒汽勵(lì)兩端中阻和低阻交界處溫升最高，且汽側(cè)高于勵(lì)側(cè)。測(cè)出上層故障線棒5號(hào)和1號(hào)線棒故障的確切位置，如圖2所示。5號(hào)線棒汽側(cè)燒損最嚴(yán)重，故障位置距離中低阻發(fā)熱處約100 mm，說(shuō)明防暈層發(fā)熱不是造成絕緣燒損的直接原因。

圖2 故障點(diǎn)位置

為檢查故障發(fā)電機(jī)整機(jī)防暈性能，將2根故障線棒拆除后，在發(fā)電機(jī)汽勵(lì)兩側(cè)搭建暗室，進(jìn)行了分相整機(jī)起暈試驗(yàn)，接線方式為試驗(yàn)相加壓，其他兩相接地。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。整機(jī)起暈試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明起暈電壓很低（10 kV）。

表2 整機(jī)起暈試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.2.3 試驗(yàn)小結(jié)

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，判斷故障的原因。4號(hào)、5號(hào)槽上層線棒各處在不同相的高電位區(qū)域，線棒之間的電位差約20 kV（整機(jī)起暈電壓試驗(yàn)證明起暈電壓約10 kV），且故障線棒之間存在水龍帶出口，加劇了故障處電場(chǎng)畸變，導(dǎo)致5號(hào)槽上層線棒故障處產(chǎn)生強(qiáng)烈的局部放電，使線棒表面絕緣材料碳化。絕緣碳化又加強(qiáng)了局部放電,如此惡性循環(huán),最終造成5號(hào)槽上層線棒故障處的絕緣受損,并波及4號(hào)槽上層線棒對(duì)應(yīng)的絕緣表面。所幸這次故障發(fā)現(xiàn)及時(shí),未導(dǎo)致定子繞組相間短路的嚴(yán)重后果。

1.3 故障處理

1.3.1 起暈原因分析

從整機(jī)起暈試驗(yàn)、單根線棒起暈試驗(yàn)和電暈發(fā)熱試驗(yàn)說(shuō)明雖然單根線棒的起暈電壓較高（30 kV以上），但是整機(jī)的起暈電壓卻很低（10 kV）。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)起暈點(diǎn)集中在隔相的綁帶處和線棒間的小間隙處。根據(jù)電暈原理分析，隔相的綁帶處起暈原因是綁帶綁扎工藝差，綁帶邊緣有飛邊、毛刺，并有起層和填充不實(shí)，形成尖端或小間隙，造成局部電場(chǎng)畸變，出現(xiàn)電暈放電，而這些尖端、毛刺、線棒間的小間隙全部是由于下線工藝差造成。

1.3.2 故障處理

根據(jù)起暈原因分析，將電暈故障發(fā)電機(jī)上層線棒全部更換，下層線棒做補(bǔ)暈處理，水籠帶出口位置由隔相改為同相的線棒間，并確定處理后的整機(jī)起暈試驗(yàn)要求為：整機(jī)起暈電壓標(biāo)準(zhǔn)為1.1倍額定電壓（即22 kV）不起暈，交流耐壓試驗(yàn)時(shí)無(wú)金黃色亮點(diǎn)、無(wú)灼傷痕跡。對(duì)下層線棒進(jìn)行工藝改進(jìn)，去除下層線棒兩側(cè)端部綁帶毛刺、尖角，去除絲狀物，并徹底進(jìn)行清潔。對(duì)所有綁帶的邊緣徹底清理、修整，對(duì)綁帶邊緣補(bǔ)漆。處理后下層起暈試驗(yàn)（22 kV以下不起暈）和耐壓（36 kV/min）符合要求。整機(jī)起暈試驗(yàn)達(dá)到24 kV以下不起暈。該發(fā)電機(jī)故障處理后正常運(yùn)行6個(gè)月，復(fù)查定子端部無(wú)電暈放電痕跡。

2 國(guó)華T廠發(fā)電機(jī)組預(yù)防性檢查

借鑒國(guó)華N廠2號(hào)發(fā)電機(jī)故障、檢查、試驗(yàn)和處理的經(jīng)驗(yàn)，國(guó)華T廠在2007年相繼對(duì)7號(hào)和8號(hào)機(jī)組進(jìn)行了整機(jī)起暈檢查和防暈處理，避免了發(fā)電機(jī)定子線棒燒損故障的發(fā)生。

2.1 7號(hào)發(fā)電機(jī)起暈試驗(yàn)及處理

國(guó)華T廠7號(hào)發(fā)電機(jī)整機(jī)起暈試驗(yàn)數(shù)據(jù)（定子冷卻水吹干后試驗(yàn)）：氣溫24℃；機(jī)溫25℃；濕度54%。

（1）汽、勵(lì)兩側(cè)端部升壓至22 kV無(wú)起暈亮點(diǎn)，定子繞組各部溫升正常。

（2）勵(lì)側(cè)出槽口11點(diǎn)處有微弱熒光點(diǎn)，經(jīng)檢查為絕緣漆脫落造成。

（3）汽、勵(lì)兩側(cè)絕緣引水管上各有一處微弱熒光點(diǎn)，經(jīng)檢查為臟污造成。

（4）勵(lì)側(cè)連接線與支架結(jié)合處有一熒光點(diǎn)，經(jīng)檢查為毛刺造成。

以上起暈點(diǎn)經(jīng)清潔、刷低阻絕緣漆干燥處理后試驗(yàn)，定子繞組A，B，C三相試驗(yàn)電壓30 kV未見(jiàn)起暈點(diǎn)。可見(jiàn)，7號(hào)發(fā)電機(jī)起暈點(diǎn)處理后，發(fā)電機(jī)通風(fēng)槽口、端部出槽口及隔相等處沒(méi)有輝光放電現(xiàn)象，定子繞組絕緣表面的電場(chǎng)分布均勻。防暈性能合格。

2.2 8號(hào)發(fā)電機(jī)起暈試驗(yàn)及處理

8號(hào)發(fā)電機(jī)整機(jī)起暈試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為：氣溫13℃；機(jī)溫15℃；濕度56%；A，B，C三相加壓22 kV，不起暈，但均有三處微弱熒光點(diǎn)。

（1）汽、勵(lì)兩側(cè)端部升壓至22 kV無(wú)起暈亮點(diǎn)，定子繞組各部溫升正常。

（2）A，B，C三相勵(lì)側(cè)端部各有三處微弱熒光點(diǎn)，經(jīng)檢查為絕緣漆脫落造成。

對(duì)以上微弱熒光點(diǎn)進(jìn)行清潔、刷低阻絕緣漆干燥處理后試驗(yàn)，A，B，C三相加壓30 kV，不產(chǎn)生熒光點(diǎn)。8號(hào)發(fā)電機(jī)起暈點(diǎn)處理后，發(fā)電機(jī)通風(fēng)槽口、端部出槽口及隔相等處沒(méi)有輝光放電現(xiàn)象，定子繞組絕緣表面的電場(chǎng)分布均勻。設(shè)備防暈性能合格。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，定子線棒絕緣表面防暈層壓制工藝粗糙，線棒表面褶皺及毛刺多是造成整機(jī)起暈電壓低的主要原因。國(guó)華T廠7號(hào)、8號(hào)發(fā)電機(jī)定子線圈起暈性能略優(yōu)于國(guó)華N廠2號(hào)機(jī)性能。

目前電力行業(yè)的交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和預(yù)試標(biāo)準(zhǔn)均無(wú)起暈試驗(yàn)內(nèi)容，發(fā)電機(jī)制造行業(yè)只對(duì)單根線棒的起暈電壓有明確要求，還沒(méi)有整機(jī)起暈電壓標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)標(biāo)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。建議整機(jī)起暈標(biāo)準(zhǔn)為：整機(jī)起暈電壓不低于24 kV，交流耐壓時(shí)無(wú)金黃色亮點(diǎn)、無(wú)灼傷痕跡；整機(jī)起暈試驗(yàn)安排在夜晚。試驗(yàn)條件為在搭建發(fā)電機(jī)起暈試驗(yàn)暗室，用肉眼和紫外呈像儀同時(shí)觀察。發(fā)電機(jī)整機(jī)起暈試驗(yàn)不僅可以有效判斷發(fā)電機(jī)的防暈性能，而且還可發(fā)現(xiàn)線棒之間間隙小、綁帶綁扎差、綁帶邊緣有飛邊毛刺及填充不實(shí)等工藝質(zhì)量問(wèn)題。整機(jī)起暈試驗(yàn)也可作為檢驗(yàn)發(fā)電機(jī)制造和檢修質(zhì)量的一個(gè)新判據(jù)，值得同類機(jī)組借鑒和推廣。

[1]JB/T 56082—1996，汽輪發(fā)電機(jī) 產(chǎn)品質(zhì)量分等[S].