銅街子水電站機(jī)組定子測(cè)溫電阻改造研究

謝 斌

(國電大渡河檢修安裝有限公司，四川 樂山 614900)

1 概 述

銅街子水電站位于四川省樂山市境內(nèi)，系大渡河開發(fā)的最后一個(gè)梯級(jí)電站。電站內(nèi)原裝4臺(tái)單機(jī)15萬kW軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，首臺(tái)機(jī)組于1992年10月投產(chǎn), 其他機(jī)組陸續(xù)在1994年全部投產(chǎn)發(fā)電。該電站于2012至2016年間進(jìn)行了增容改造，改造后單機(jī)容量增加到17.5萬kW。以13F機(jī)為例，改造后發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF175一68/12 800,額定容量為205 900 kVA，額定電壓均為13.8 kV，額定電流為8 614.2 A，額定轉(zhuǎn)速為88.2 r/min, 定子槽數(shù)Z為612, 極數(shù)2P為68, 每相并聯(lián)支路數(shù)a為3, 相數(shù)為3相, 連接方式4Y (波繞組) , 繞組節(jié)距Y=1-9-20, 發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向?yàn)楦┮曧槙r(shí)針方向，發(fā)電機(jī)使用的定子測(cè)溫電阻為東方電機(jī)廠配套提供。

2 定子測(cè)溫電阻

目前，國內(nèi)廣泛采用熱電阻傳感器對(duì)發(fā)電機(jī)定子溫度進(jìn)行測(cè)量，其主要基于電阻的熱效應(yīng)原理，代表型號(hào)有Pt100和Cu50兩種。根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特征和制造工藝, 國內(nèi)水電站所用的測(cè)溫元件基本上均采用Pt100[1]。銅街子水電站每臺(tái)機(jī)組增容改造前原埋設(shè)的定子測(cè)溫元件為Pt100和Cu50兩種電阻，引出線為3線制、網(wǎng)狀屏蔽。每臺(tái)機(jī)組定子測(cè)溫元件共埋設(shè)24個(gè)測(cè)點(diǎn), 各測(cè)點(diǎn)匯集到各機(jī)組風(fēng)洞內(nèi)的端子箱后, 由屏蔽電纜引到機(jī)旁盤的溫度巡測(cè)裝置，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)定子的溫度及機(jī)組運(yùn)行狀況，以便出現(xiàn)定子溫升高、單相運(yùn)行、匝間等異常情況的時(shí)候能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除故障。

但在機(jī)組陸續(xù)投產(chǎn)后，經(jīng)過4～5年的運(yùn)行，銅街子水電站各臺(tái)機(jī)組定子測(cè)溫電阻損壞量超過1/3，有的機(jī)組損壞率甚至達(dá)到了百分之50以上。以13F發(fā)電機(jī)為例，其定子測(cè)溫電阻有7～8個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)常出現(xiàn)溫度突變, 個(gè)別測(cè)點(diǎn)溫度不隨機(jī)組負(fù)荷變化而變化。由于水電站工作環(huán)境復(fù)雜，不能及時(shí)對(duì)損壞電阻進(jìn)行更換，嚴(yán)重影響了運(yùn)行人員對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀況的監(jiān)測(cè)，造成比較嚴(yán)重的安全隱患。

3 定子測(cè)溫電阻故障原因分析及解決方法

通過對(duì)測(cè)溫元件選型及機(jī)組運(yùn)行情況等的綜合分析，得出定子測(cè)溫點(diǎn)損壞原因：一是測(cè)溫元件采用鉑絲繞制而成的鉑熱電阻，元件與引線通過錫焊焊接，該種元件鉑絲和引線電纜過細(xì)，在高溫和振動(dòng)環(huán)境下容易斷裂和接觸不良[2]。二是運(yùn)行環(huán)境惡劣。定子測(cè)溫電阻埋設(shè)在定子線棒底部, 傳感器及其導(dǎo)線長期處在溫度較高的環(huán)境里并時(shí)刻承受冷卻風(fēng)流的沖擊和機(jī)組振動(dòng)的影響。機(jī)組上導(dǎo)及推力油盆的滲漏油長期腐蝕電阻引出線,傳感器及導(dǎo)線在這樣的環(huán)境中長時(shí)間運(yùn)行, 就會(huì)出現(xiàn)測(cè)溫元件損壞、電纜在電阻根部折斷、導(dǎo)線絕緣老化、開裂等問題[3]。

原有測(cè)溫元件損壞后, 最好的解決方法是將定子線圈拆出, 在原埋設(shè)位置重新設(shè)置新的測(cè)溫元件，并適當(dāng)增加備用電阻。以增容改造為契機(jī)，銅街子水電站從2012年開始將每臺(tái)機(jī)組原來使用的定子測(cè)溫電阻進(jìn)行了更換，將原來的定子測(cè)溫電阻替換為光刻濺射工藝制作的Pt100芯片，型號(hào)為WZPD，這類芯片的漂移很小，長期穩(wěn)定性高，而且抗沖擊和振動(dòng)。芯片引腳采用鉑鎳合金可以保證焊接后引線的機(jī)械性能，避免引接線線在傳感器內(nèi)斷開。同時(shí)，適量增補(bǔ)2J2049型Cu50銅熱電阻作為備用，使運(yùn)行人員更好地掌握機(jī)組運(yùn)行狀況，保證機(jī)組更加安全、穩(wěn)定、健康地運(yùn)行。

4 銅街子水電站13F機(jī)組定子測(cè)溫電阻改造方案

筆者以銅街子水電站13F機(jī)組為例對(duì)水電站的定子測(cè)溫電阻改方案進(jìn)行詳細(xì)的介紹說明。定子測(cè)溫電阻的改造主要分為定子線圈測(cè)溫電阻的更換和定子鐵芯測(cè)溫電阻的改造兩部分。根據(jù)測(cè)溫需要，共需埋設(shè)120個(gè)測(cè)溫電阻，包含72個(gè)Pt100和48個(gè)Cu50電阻，其中，上、下壓指12個(gè)(Pt100)，上、下鐵芯12個(gè)(Pt100)，槽底中部24個(gè)(12個(gè)Cu50，12個(gè)Pt100)，層間上部24個(gè)(12個(gè)Cu50，12個(gè)Pt100)，層間中部24個(gè)(12個(gè)Cu50，12個(gè)Pt100)，層間下部24個(gè)(12個(gè)Cu50，12個(gè)Pt100)。在定子槽底中部和層間中部設(shè)置了24個(gè)測(cè)溫監(jiān)測(cè)點(diǎn)(表1)，此埋設(shè)方式使測(cè)溫電阻均勻布在槽中，既能了解定子上整體溫升情況 ,也能反映出定子各部分溫升情況[4]。同時(shí)，96個(gè)備用點(diǎn)也能充分滿足測(cè)溫點(diǎn)損壞后能得到及時(shí)更換的要求。測(cè)溫電阻布置見圖 1。

表1 銅街子水電站13F定子測(cè)溫電阻測(cè)溫監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布情況

圖1 銅街子水電站13F機(jī)組定子測(cè)溫電阻布置圖

4.1 定子線圈測(cè)溫電阻的更換

由于之前水電站使用的定子線圈測(cè)溫電阻是由東方電機(jī)廠生產(chǎn)的，因此，在更換發(fā)電機(jī)定子線圈測(cè)溫電阻之前首先要與電機(jī)廠進(jìn)行溝通交流，確定最終的更換流程。

4.1.1 拆除線棒

由于銅街子13F發(fā)電機(jī)涉及增容改造，線棒均需更換，定子線圈測(cè)溫電阻也將全部更換。將上、下層線棒拆除完畢后，最重要的是把層間的測(cè)溫電阻取出來，將鐵芯槽、連接板和連接接頭等清理干凈，以便后期把新的測(cè)溫電阻安裝到位。

4.1.2 安裝層間測(cè)溫電阻

測(cè)溫電阻在安裝之前要用1235低電阻半導(dǎo)體漆進(jìn)行涂刷，然后，測(cè)量其對(duì)地電阻，確保對(duì)地電阻高于20 MΩ才能使用。對(duì)照?qǐng)D紙確定槽底中部、層間、層中、層下電阻安放位置，為放線做好準(zhǔn)備。在定子下第一層線棒前放置槽底中部測(cè)溫電阻；在第一層線棒放好后，第二層線棒下線前放置層間上、中、下部電阻。在安裝的時(shí)候，要將電阻的引線接頭錯(cuò)開，接頭安裝固定后需用錫焊進(jìn)一步加固。然后，把固定好的測(cè)溫電阻安裝到線棒的上下層之間，用定向玻璃再次固定。最后，再對(duì)測(cè)溫電阻的接地電阻進(jìn)行測(cè)量確認(rèn)，并對(duì)線路回路進(jìn)行檢查，避免出現(xiàn)斷路或者短路的情況。

4.1.3 上層線棒等零部件的安裝固定

將測(cè)溫電阻安裝好以后，需要再把新的上層線棒安裝到位。在安裝上層線棒到時(shí)候，要注意準(zhǔn)確定位以及壓條、墊條的使用。另外，要注意線棒安裝后的固定以及合理間隙的控制，避免出現(xiàn)安裝錯(cuò)位或者安裝不牢固的情況。鑲嵌到位之后，需要對(duì)上層線棒進(jìn)行焊接，該過程要注意絕緣部位的包裹、線棒端部的保護(hù)、焊接后的修正及保護(hù)，避免外界的金屬顆粒進(jìn)入。

4.1.4 定子測(cè)溫電阻接地

由于發(fā)電機(jī)定子改造時(shí)間過長，在此期間，會(huì)對(duì)已安放好的定子線棒做交流耐壓試驗(yàn)。因此，需要將所有測(cè)溫電阻接地，以防止測(cè)溫電阻被高電壓擊穿，導(dǎo)致測(cè)溫電阻損壞。

4.1.5 定子測(cè)溫電阻焊接

定子電阻放置完畢后，從定子機(jī)座上方放置測(cè)溫電纜線，在電纜線兩端系上白布帶，并寫出對(duì)應(yīng)電阻槽號(hào)，為上線和焊接做準(zhǔn)備。將測(cè)溫電阻引出線與測(cè)溫電纜線剝出，用電烙鐵將兩端焊接在一起，可使用松香使其焊接牢固，焊接好的測(cè)溫線用自黏帶分別包好，再用玻璃絲帶分別包好，最后用白布帶將電纜線包好，用扎帶扎牢固。所有步驟都需要注意不能讓金屬線外露，保證絕緣良好。

測(cè)溫電阻焊接完畢后，將電阻線用牛皮紙包扎在定子機(jī)座支撐柱上。包扎時(shí)注意要順著機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)方向包扎好，防止機(jī)組運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)將測(cè)溫線吹散。最后，將測(cè)溫線從測(cè)溫引線出口處順勢(shì)扎牢固，接在測(cè)溫端子箱中。

4.1.6 更換質(zhì)量檢測(cè)與試驗(yàn)

將發(fā)電機(jī)恢復(fù)到正常狀態(tài)之后要進(jìn)行三相直流電阻的平衡試驗(yàn)，最終要確保任意兩相直流電阻的差值要在平均值的98%以下；另外，還要對(duì)絕緣電阻值進(jìn)行測(cè)量，確保符合基本要求。最終要按照對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行大修的標(biāo)準(zhǔn)來檢驗(yàn)發(fā)電機(jī)運(yùn)行的相關(guān)性能，確保更換定子線圈電阻后的質(zhì)量符合基本條件。

4.2 定子鐵芯測(cè)溫電阻的改造處理

定子疊片時(shí)，要先預(yù)留出安裝上、下鐵芯測(cè)溫電阻的位置，定子疊片完畢后，放置上、下鐵芯測(cè)溫電阻，只需要把新的測(cè)溫元件安裝到發(fā)電機(jī)鐵芯共軛的通風(fēng)槽里面，一共需要安裝12個(gè)新的測(cè)溫元件。定子鐵芯測(cè)溫元件放置位置見圖2。圖中“A”符號(hào)代表視圖方向，“A-A”表示從A方向看過去形成的測(cè)溫元件側(cè)視圖，“B”符號(hào)也代表視圖方向，“B-B”表示從B方向自上而下看過去形成的測(cè)溫元件俯視圖。定子鐵芯測(cè)溫電阻放置在鐵芯中段背部通風(fēng)槽內(nèi)。放置鐵芯測(cè)溫電阻的通風(fēng)槽應(yīng)選擇對(duì)應(yīng)槽部, 且沒有定位筋和拉緊螺桿的通風(fēng)槽。測(cè)溫元件一側(cè)面應(yīng)與通風(fēng)槽鋼 (圖2) 貼緊, 上、下應(yīng)與通風(fēng)槽片黏牢，其余按定子測(cè)溫裝置規(guī)定執(zhí)行[5]。

圖2 定子測(cè)溫元件位置示意圖

具體的步驟如下：首先要把發(fā)電機(jī)的冷卻器拆除，然后，從定子鐵芯背面的通風(fēng)口的位置把需要安裝的12個(gè)測(cè)溫電阻依次塞到里面，需要專用的楔塊工具。同時(shí)，滌綸氈在塞入之前要用環(huán)氧膠浸漬，才可以堵住通風(fēng)溝，有效避免鐵芯位置溫度測(cè)量的誤差。因?yàn)槿绻欢伦⊥L(fēng)溝，冷卻風(fēng)就會(huì)降低定子的實(shí)際溫度，導(dǎo)致溫度測(cè)量不準(zhǔn)確。

5 改造效果評(píng)估

為更好地反映測(cè)溫電阻所改造地方的效果，需采用兩種不同的對(duì)比方式來說明。通過監(jiān)控報(bào)表系統(tǒng)收集發(fā)電機(jī)運(yùn)行中的各種數(shù)據(jù)，選擇不同的對(duì)比方式來說明改造的具體效果。第一種方法是對(duì)比機(jī)組溫升數(shù)據(jù)，通過對(duì)比改造前后，發(fā)電機(jī)在零負(fù)荷、1/4負(fù)荷、1/2負(fù)荷、3/4以及滿負(fù)荷的狀態(tài)下的相關(guān)數(shù)據(jù)來對(duì)比測(cè)溫電阻改造的效果。第二種方式是對(duì)于在負(fù)荷相對(duì)不變且都是工作3 h的前提下對(duì)比機(jī)組產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)。

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，兩種對(duì)比方式都表明：更換后的線圈測(cè)溫的測(cè)點(diǎn)可以較好地反映相關(guān)定子線圈的溫度變化情況。但是，定子鐵芯的溫度變化比較慢，只有在1/4負(fù)荷的時(shí)候能相對(duì)準(zhǔn)確地反映相關(guān)溫度變化。其他負(fù)荷情況下的溫升差距比較大，主要是由于測(cè)溫電阻安裝在通風(fēng)溝內(nèi)，但是不影響實(shí)際的使用，有經(jīng)驗(yàn)的人員能夠根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)判斷定子鐵芯的實(shí)際溫度。

6 結(jié) 語

筆者對(duì)銅街子水電站發(fā)電機(jī)組參數(shù)和定子測(cè)溫的電阻概況進(jìn)行介紹，分析定子測(cè)溫電阻故障原因。然后，提出針對(duì)銅街子水電站13F機(jī)組定子測(cè)溫電阻的整改方案，并對(duì)該改造方案的改造效果進(jìn)行科學(xué)的評(píng)估。銅街子水電站13號(hào)發(fā)電機(jī)定子測(cè)溫電阻改造順利完成后，各測(cè)點(diǎn)工作正常，系統(tǒng)穩(wěn)定，對(duì)機(jī)組運(yùn)行工況能起到良好的監(jiān)視作用，改造效果良好。本研究提供的定子測(cè)溫電阻改造方案，同樣能成功用于銅街子電站其余3臺(tái)機(jī)組。目前銅街子水電站4臺(tái)機(jī)組定子測(cè)溫電阻改造后已經(jīng)平穩(wěn)運(yùn)行4～5年, 說明系統(tǒng)性更換和增補(bǔ)測(cè)溫電阻是解決機(jī)組定子測(cè)溫電阻損壞的一種比較成熟與合理的方案，為其他電站機(jī)組定子測(cè)溫電阻改造提供了重要的參考依據(jù)。