300MW汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈絕緣磨損的原因及防范措施

摘 要：發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中由于絕緣表面或內(nèi)部放電而導(dǎo)致定子繞組絕緣性能下降和劣化的現(xiàn)象相當(dāng)普遍，嚴(yán)重影響了電機(jī)的安全運(yùn)行和使用壽命。給人們的經(jīng)濟(jì)生活直接帶來損失，所以這個(gè)問題應(yīng)引起人們的高度關(guān)注。電機(jī)在制造過程中，由于工藝原因，在其絕緣層間或絕緣層與股線間可能存在間隙。電機(jī)運(yùn)行若干年后，在溫度場作用下，尤其在機(jī)組起停引起的溫度變化循環(huán)作用下，間隙會沿線棒縱向逐漸增大，從而造成發(fā)電機(jī)本身性能的下降。本文重點(diǎn)探討300MW汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈絕緣磨損的原因及防范措施。

關(guān)鍵詞：定子線圈；發(fā)電機(jī)；絕緣磨損

引言

當(dāng)工作電壓超過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，加之定子線圈油污腐蝕及定子鐵芯、槽楔、墊塊、墊條松動，定子繞組端部綁繩松動斷裂，致使線圈在運(yùn)行中產(chǎn)生振動，造成主絕緣磨損腐蝕被擊穿，使定子絕緣性能進(jìn)一步劣化，最終導(dǎo)致絕緣損壞。因而，對定子繞組絕緣性能及變化的監(jiān)測和診斷，可用測量局部放電量及其特征的方法和定期維護(hù)相關(guān)部件來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前，各國對測量局部放電量來判定電機(jī)絕緣狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)尚未取得一致意見，但測量局部放電已被證實(shí)是監(jiān)測和衡量電機(jī)絕緣狀態(tài)好壞的一種最有效的手段。局部放電監(jiān)測裝置應(yīng)達(dá)到以下要求：①監(jiān)測有害的局部放電；②鑒別發(fā)生放電的類型；③診斷電機(jī)絕緣老化狀態(tài)，監(jiān)測與絕緣有關(guān)的發(fā)電機(jī)各類故障[1]。

1 300MW汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈絕緣磨損的原因

1.1 熱劣化

定子的成型繞組和散繞繞組都會發(fā)生熱劣化，這或許是定子繞組絕緣失效方面最常見的故障原因，特別是空氣冷卻的電機(jī)更是如此。熱老化有多種發(fā)展過程，這取決于絕緣的特性（熱固性還是熱塑性）和運(yùn)行環(huán)境（空氣或氫氣）。在空氣冷卻的電機(jī)中，絕緣是熱固化材料，或者是現(xiàn)代電磁漆包線的覆膜，熱劣化本質(zhì)上是氧化反應(yīng)，也就是在足夠高的溫度下，絕緣有機(jī)成分內(nèi)部的化學(xué)鍵有時(shí)會由于發(fā)熱引起的振動造成斷裂。當(dāng)化學(xué)鍵發(fā)生斷裂時(shí)，氧通常依附在斷裂的化學(xué)鍵上，結(jié)果是使聚合物鏈變得更短，也更脆弱。宏觀地看，絕緣就是變得比較易碎，機(jī)械強(qiáng)度降低，同時(shí)保持絕緣層粘結(jié)為一體的能力也變差。對于散繞定子繞組的電磁線（繞組導(dǎo)線），因熱老化引起的絕緣脆化，在電機(jī)啟動或正常運(yùn)行過程中的電磁力作用下，由于導(dǎo)體的振動，很容易產(chǎn)生裂紋。老化的絕緣也很容易從導(dǎo)體上剝離。這些故障進(jìn)程都可以因電磁線絕緣的磨損而導(dǎo)致絕緣失效，并且都會引起匝間短路，導(dǎo)致短路部位迅速過熱，使銅導(dǎo)體和附近的其他絕緣燒熔，最終發(fā)生接地故障。[2]

1.2 熱循環(huán)

該機(jī)理隨主絕緣的型式分為三種類型，即是熱塑性還是熱固性絕緣，以及定子是否采用整體VPI工藝。在下述所有情況下，隨著負(fù)荷變化更迅速、定子鐵心更長、運(yùn)行溫度更高和負(fù)荷變化更頻繁，熱劣化的發(fā)展速度也就更快。過去的經(jīng)驗(yàn)表明，該過程通常歷時(shí)10多年后可引起故障，但有些故障會提前發(fā)生。環(huán)繞裂紋/絕緣帶分層在熱塑性絕緣系統(tǒng)（例如瀝青云母剝片絕緣）中，產(chǎn)生外周環(huán)繞裂紋和絕緣帶分層是熱循環(huán)劣化的特殊型式，但很少出現(xiàn)在鐵心短于3m的發(fā)電機(jī)上。這種絕緣型式采用的純凈的瀝青和用快干油漆改良的瀝青，或者完全是熱塑性的，或者是具有較低的玻璃化溫度，在電機(jī)投運(yùn)初期，即使是在正常的運(yùn)行溫度下，絕緣也非常柔軟，并且物理強(qiáng)度非常低。當(dāng)瀝青絕緣系統(tǒng)用于空氣冷卻的發(fā)電機(jī)時(shí)，由于氧化的作用，在運(yùn)行溫度下就可以使瀝青硬化，并最終成為難熔態(tài)物質(zhì)，同時(shí)，快干油漆逐漸增加玻璃轉(zhuǎn)換溫度，隨時(shí)間的延長而變得更強(qiáng)韌。這種絕緣的發(fā)電機(jī)如果用于帶基本負(fù)荷，幾乎不存在熱循環(huán)情況下，就可能持續(xù)運(yùn)行幾十年而不會產(chǎn)生環(huán)繞裂紋。如果一個(gè)新的瀝青云母一剝片絕緣繞組執(zhí)行調(diào)峰運(yùn)行，或者其他的周期性運(yùn)行方式，并且定子長度超過3m，其產(chǎn)生環(huán)繞裂紋的風(fēng)險(xiǎn)就增高很多。若已經(jīng)帶基本負(fù)荷運(yùn)行多年，然后才轉(zhuǎn)為循環(huán)性負(fù)荷方式，則通常不會發(fā)展出環(huán)繞裂紋。原帶基本負(fù)荷的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為帶周期性循環(huán)負(fù)荷運(yùn)行，也能夠把原來令人滿意的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)橐慌_存在環(huán)繞裂紋問題的發(fā)電機(jī)。環(huán)繞裂紋的產(chǎn)生機(jī)理很復(fù)雜，而槽內(nèi)的絕緣就不可能自然而然地隨銅線運(yùn)動，因此瀝青和某些其他的熱塑性絕緣系統(tǒng)在服役期間的特性之一，就是絕緣膨脹到冷卻風(fēng)道中，造成局部風(fēng)路堵塞。結(jié)果是絕緣內(nèi)部的拉伸應(yīng)力增高到可能足以使絕緣包帶開始分層，發(fā)生分層的部位可能在槽外區(qū)域，或者在槽內(nèi)靠近出槽口位置。由于熱軟化，絕緣也要伸出槽外，有時(shí)形成的凸起也要限制絕緣與銅線的運(yùn)動，而當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)荷降下來并且銅線冷卻的時(shí)候，運(yùn)動的方向是返回槽內(nèi)。一次熱循環(huán)，與帶基本負(fù)荷一樣，是不會有問題的[3]。

2 防范措施

2.1 確定過熱根本原因

清掃繞組端部以改善氣流，解決不了因股間短路引起環(huán)流而造成的過熱問題，而應(yīng)取決于過熱的根本原因。因此，選擇具體維修方法前，必須找到過熱的根本原因。考慮到絕緣本身的熱劣化是不可逆轉(zhuǎn)的（除非重繞），通過適當(dāng)?shù)木S修或改變運(yùn)行方式以減緩熱劣化的速度，能夠延長繞組壽命。值得關(guān)注的是，為避免重繞的高昂費(fèi)用，有幾家電力公司研發(fā)出一種針對劣化主絕緣的環(huán)氧注入方法。這種新方法可能適用范圍有限，例如用于膠合云母箔的繞組，而且還不清楚這種方法的長期效果如何。過熱采取的維修措施包括清掃繞組和熱交換器，疏通冷卻器的堵風(fēng)處，改善冷卻風(fēng)（空氣或氫氣）的流動，使得鐵心和繞組的熱量能更高效地傳導(dǎo)出來。重新打緊槽楔及加強(qiáng)側(cè)面固定和（或）進(jìn)行再次VPI或普通浸漆和烘干，以改善定子線圈和鐵心間的熱接觸。值得注意的是，如果線圈已經(jīng)很緊，后一種措施因增加額外的絕緣膜，通風(fēng)截面將更加有限，因此反而可能增加繞組運(yùn)行溫度。確保各相所承受的電壓互差在1%以內(nèi)。

2.2 簡化劣化速度

循環(huán)的影響是不可逆的，因此如果故障過程已經(jīng)造成明顯的絕緣劣化，該定子繞組就無法恢復(fù)到全新的狀態(tài)。不過，以下方法可以有效減緩劣化速度：減緩功率增加或減少的變化速率，使鐵心、銅導(dǎo)體和絕緣的發(fā)熱盡可能均衡，減少收縮和膨脹之間的差異。通過埋置在定子繞組的熱電阻（RTD）或熱電偶（TC）測量定子繞組的溫度，獲知在負(fù)荷突然增加或減少后定子溫度達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間，以此確定達(dá)到接近熱均衡的時(shí)間，該時(shí)間取決于電機(jī)的尺寸和冷卻方法，典型值是10～30min。降低最大允許負(fù)荷以降低繞組運(yùn)行時(shí)的最高溫度。在較低的溫度下，環(huán)氧、聚酯以及瀝青都有更高的耐受剪切應(yīng)力的粘結(jié)強(qiáng)度。讓發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)接近1.0運(yùn)行，以減小負(fù)荷電流，從而減小電阻損耗。

3 結(jié)語

由于發(fā)電機(jī)在實(shí)際的應(yīng)用中相關(guān)的原因可能層出不窮，防護(hù)措施或許多種多樣，筆者在此闡述了認(rèn)為對分析人員更客觀、準(zhǔn)確地認(rèn)識汽輪發(fā)電機(jī)相關(guān)情況，并且采取相應(yīng)措施來處理這種應(yīng)用情況的相關(guān)方法。本文著重介紹汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈絕緣磨損的原因及防范措施方面相關(guān)監(jiān)控、已發(fā)生的問題的原因、防范措施等。從原理上對比分析說明了相關(guān)原因以及防范措施，對于相關(guān)工作人員認(rèn)識該問題、及早發(fā)現(xiàn)問題、解決問題有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]李大厚，云華. 發(fā)電機(jī)定子線圈端部絕緣支架損壞的原因分析與修復(fù)方案[J].電氣技術(shù)，2012.04：145-146.

[2]孔慶斌.空冷200MW汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈SVPI制造工藝研究[J].黑龍江科技信息，2012.04：76-78.

[3]蘭生平，馬梅霞.越南嘉興水電廠發(fā)電機(jī)定子線圈損傷的修復(fù)[J]. 紅水河，2012.04：98-100.