某大型水輪發電機勵磁引線燒毀事故原因分析

李慧磊,陸本光,陳思源,高 洋

(云南華電魯地拉水電有限公司，云南省大理市 671211)

文章編號：1006—2610(2015)03—0067—04

某大型水輪發電機勵磁引線燒毀事故原因分析

李慧磊,陸本光,陳思源,高 洋

(云南華電魯地拉水電有限公司，云南省大理市 671211)

針對國內某大型水輪發電機勵磁引線燒毀事故，從發電機發生事故時的安裝情況、運行狀況、勵磁引線的材質、機械變形及引線溫升對絕緣材料影響等幾個方面進行了分析，對于大型水輪發電機勵磁引線的截面設計、材料選擇及受力情況、大型水輪發電機組安裝和檢修提出了建議，具有一定的借鑒作用。

勵磁引線;引線材質;引線變形受力;溫升;絕緣材料

0 前 言

2010年10月25日09:09:08，某電廠運行值班人員在3號發電機組并網發電過程中，當機組起勵建壓成功，開機至空載態時，發現計算機監控系統上位機報“3號發電機B套保護裝置告警”，09：09：13，上位機報“3號發電機B套保護轉子一點接地報警”，09:09:23，上位機報“3號機轉子溫度過高(勵磁調節器計算產生)”，09：09：24，上位機報“3號機勵磁裝置故障報警”。 09：12，廠房運行值班負責人發現處于開機過程中的3號發電機組上機架蓋板下方有明顯弧光，并伴隨有絕緣材料由于高溫產生的異常氣味，隨即在現場機組LCU柜內按下“事故停機”按鈕，啟動事故停機流程進行停機。09:12:23，3號發電機組事故停機動作。在停機過程中，當3號機勵磁系統滅磁開關斷開后，上機架內電弧光隨即消失。事發后，電廠人員當即通知發電機廠家，安排專業人員趕赴現場對發電機組定、轉子部分進行檢查處理，并對事故產生的原因進行分析。

1 3號發電機組勵磁引線燒毀事故檢查結果及現場初步分析

1.1 3號發電機組勵磁引線燒毀事故檢查經過及結果

2010年10月27日20:00時廠家人員到場后，由發電機組上機架蓋板進入電站3號機風罩內，到達轉子支架上表面，進行事故勘察?？辈榈慕Y果為：發電機轉子勵磁引線負極“Ω”軟連接、勵磁引線支撐及下方轉子本體扇形板與轉子擋風板連接處燒毀(詳見圖1,2)，其中截面為100 mm×8 mm勵磁引線及“Ω”軟連接大部分燒毀，勵磁引線支撐線夾部分燒熔，勵磁引線下方轉子支架擋風板上被燒出1個洞。10月28日發電機廠家與電廠值班人員及相關技術人員在現場召開專題會，查看3號發電機組在事發當日報警時相關機組數據和曲線，發現3號發電機組在發生“3號發電機B套保護裝置告警”及“3號發電機B套保護轉子一點接地報警”時，機端電壓正常，勵磁電流、勵磁電壓正常，中性點不平衡電流出現波動。2010年10月28日11：00再次進入事故現場，對整個勵磁引線機械變形情況進行調查，調查結果為：燒毀的勵磁引線及其連接的引線未發現明顯的機械變形，發生燒毀的部位僅發電機勵磁引線負極“Ω”軟連接與引線連接部位發生了較為嚴重的機械變形。并發現勵磁引線正、負極“Ω”軟連接與引線連接部位的把合螺栓部分未按照廠家圖紙要求安裝止動墊片。

圖1 發生燒毀位置的部套位置部套結構圖

圖2 現場勵磁引線的燒毀情況圖

1.2 3號發電機組勵磁引線燒毀事故現場初步分析結果

經過廠家人員和電廠人員多次對現場的檢查和對勵磁引線燒毀部分的分析，初步確定造成此次勵磁引線燒毀的原因有以下3種可能：

(1) 由于勵磁引線截面設計偏小，引起引線本體電氣過流和溫升過高，進而發生燒毀；

(2) 由于勵磁引線在轉子轉動過程中受到機械應力發生機械變形，造成此次燒毀事故；

(3) 由于在安裝過程中未按照廠家圖紙要求和工藝進行施工，對勵磁引線與“Ω”軟連接未能按照廠家質量要求進行把合，造成把合部位接觸電阻過大，引起此次燒毀事故。

2 勵磁引線燒毀事故原因分析情況

結合現場勵磁引線燒毀的現象，針對現場初步分析3種可能的結果，采用不同方法進行了詳細的分析。

(1) 該水輪發電機額定勵磁電流為3 230 A，勵磁引線截面為100 mm×8 mm，勵磁引線電密計算值為4 A/mm2，勵磁引線與“Ω”軟連接螺栓把合接觸面部分接觸電密0.38 A/mm2。由此得到過流及溫升情況分析如下：

使用ANSYS11.0有限元分析軟件進行該勵磁引線在通過額定電流情況下溫度的計算。

通過電磁場和溫度場耦合的方法，首先計算出導線的銅損，再以銅損作為下一步溫度計算的載荷，分析引線的溫度分布。

本此燒毀的勵磁引線所用的材料特性如下：

銅的材料屬性 相對磁導率 1

電阻率 24.76×10-9Ω/m(125 ℃)

導熱系數 395 W/(m.K)

絕緣的材料屬性 相對磁導率 1

導熱系數 0.2 W/(m.K)

引線截面積 8 mm×100 mm

環境溫度 40 ℃

引線電流 3 230 A

對流換熱系數 20 W/(m2.K)(風速按2 m/s，

實際的換熱系數要優于此值)。

進而選取部分勵磁引線的導體進行四邊形幾何模型剖分，剖分單元總數為4 544個。再通過軟件中電磁場求解單元和溫度場求解單元計算后得出，幾何模型及通過額定電流時的溫升情況如圖3所示。

由圖3可知，引線的最大溫度為126.3 ℃，位于引線的銅導體上，溫升為86.3 K；絕緣表面的最小溫度為123.3 ℃，接近B 級(130 ℃)，遠未達到實際絕緣材料F 級(155 ℃)[1]。

因此，可以排除由于勵磁引線截面設計偏小，引起引線本體電氣過流和溫升過高，造成此次勵磁引線燒毀的可能性分析。

圖3 勵磁引線在過流情況下溫度圖

(2) 計算采用有限元計算(ANSYS V9.0)方法，分別對引線燒毀處勵磁引線和軟連接部分在飛逸工況下的應力進行了分析。該段的有限元模型如圖4所示。

圖4 引線燒毀處勵磁引線和軟連接部分的有限元模型圖

機組及勵磁引線機械計算主要參數：

設計飛逸轉速 245 r/min

引線計算段重量 11 kg

引線重心半徑 4 830 mm

引線寬度 100 mm

引線材料 T2

引線材料屈服極限 70 MPa。

計算分別得出燒毀處勵磁引線和“Ω”軟連接部分的應力分布情況，如圖5、6所示。

圖5 燒毀處勵磁引線所受應力分布情況圖

根據以上的計算結果，飛逸工況下，如圖5所示，燒毀處勵磁引線的最大應力為45.2 MPa，分布在引線豎直段以及折彎位置，最大應力不超過軟銅材料的屈服極限，因此不會產生塑性變形。如圖6所示，引線“Ω”軟連接處的應力為12 MPa，所受應力較小。由此而造成的徑向位移，無論在燒毀處勵磁引線或者“Ω”軟連接處都較小，均在設計的允許范圍之內，即使考慮轉子支架與磁軛之間的相對位移(約1～2 mm)，軟連接的彈性變形也可以消化位移差。

圖6 “Ω”軟連接部分的應力分布情況圖

綜上所述，由于轉速等機械原因產生的應力及變形都較小，應力不超過材料的屈服極限，產生的徑向變形也較小，且完全在彈性變形的范圍之內，因此可以排除由于勵磁引線在轉子轉動過程中受到機械應力發生機械變形，造成此次燒毀事故的可能性。

(3) 排除引起此次燒毀事故上述的2種情況后，廠家及電廠技術人員再次對勵磁引線燒毀部位進行了檢查，并將事故中沒有燒毀的“Ω”軟連接另一端連接部位打開，發現此端“Ω”軟連接部位與勵磁引線把合接觸面有大量已經固化的鎖定膠且存在部分螺栓松動及止動鎖片未安裝的情況。由此可以判斷，此次事故燒毀處的勵磁引線與“Ω”軟連接部位也使用的同樣安裝工藝，并未按照廠家要求使用螺栓把合和加裝止動鎖片的方式進行勵磁引線與“Ω”軟連接部位的安裝工藝，而是使用鎖定膠進行螺栓鎖定，致使大量鎖定膠粘連在勵磁引線與“Ω”軟連接接觸面，造成軟連接與勵磁引線連接部分接觸不良引起的接觸電阻過大，在通入勵磁電流后，引起該部位溫度過高。勵磁引線在轉子支架與磁軛之間設置了“Ω”軟連接以適應機組運行過程中磁軛與轉子支架的膨脹值和機械應力不同。如果連接接頭部分螺栓把合度不夠或者止動鎖片未安裝，機組在運行過程中由于振動、軟連接受熱位移等原因，會造成軟連接部位把合螺栓松動，通入勵磁電流后就會有電弧產生，致使事故按以下過程發生：

1) 軟連接與勵磁引線連接部分存在接觸不良，當通入勵磁電流后，造成局部發熱，使發熱部分產生銅溶化現象，有銅水流出。銅水與轉子支架接觸位置產生轉子一點接地。

2) 銅水在離心力的作用下，堆積在靠近磁極側的引線支撐上，同時轉子中心側的引線絕緣燒毀，使這根引線接地，兩端引線通過轉子支架連通，所以轉子有持續穩定的勵磁電壓、電流，機端電壓穩定。

3) 勵磁引線燒斷后，轉子中心側的引線在離心力的作用下，與轉子支架虛接，產生電焊效應，所以事故過程中有明顯弧光。

3 結 語

伴隨著中國水電機組裝機單機容量的不斷增大，發電機勵磁電流也不斷的提高，在進行發電機選型和設計過程中，不僅應在設計階段充分考慮勵磁引線的材料、截面、通流能力及引線的設計結構和在機組實際運行過程中的受力情況，并應在機組安裝或檢修過程中，嚴格執行《水輪發電機基本技術條件》和《水輪發電機組安裝技術規范》及廠家安裝指導文件，特別是要把控好大電流直流回路及接觸面檢查工作，避免此類事故的發生。

[1] SL 321-2005，大中型水輪發電機基本技術條件[S].北京：中國水利水電出版社,2005.

[2] GB/T7894-2009,水輪發電機基本技術條件[S].北京：中國標準出版社，2009.

[3] GB/T8564-2003,水輪發電機組安裝技術規范[S].北京：中國標準出版社，2003.

[4] 胡承斌.蜀河水電站勵磁系統缺陷處理[J].西北水電,2012，(6)：77-80.

[5] 何建輝.公伯峽水電站發電機勵磁系統[J].西北水電,2005,(2):46-48.

Analysis on Burning Causes of Excitation Lead of One Large Hydraulic Turbine Generator

LI Hui-lei, LU Ben-guang, CHEN Si-yuan, GAO Yang

(Yunan Huadian Ludila Hydropower Co., Ltd., Dali City, Yunan 671211,China)

Aiming at the burning accident of one large hydraulic turbine generator, analysis is performed in terms of installation, operation, excitation lead material, mechanical deformation, and impacts on insulating materials from the lead temperature rise, etc. Section design, materials selection and action of the excitation lead as well as large unit installation and maintenance are commented. These analysis and comments provide reference to similar occurrence.

excitation lead; lead material; lead deformation action; temperature rise; insulating material

2015-01-04

李慧磊(1982- )，男，河北省石家莊市高邑縣人，助理工程師，從事發電廠機組調試，勵磁系統現場調試、維護工作和水電廠生產管理工作.

TV734.2

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.03.019