銅街子水電站機組定子測溫電阻改造研究

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)的最后一個梯級電站。電站內(nèi)原裝4臺單機15萬kW軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組，首臺機組于1992年10月投產(chǎn), 其他機組陸續(xù)在1994年全部投產(chǎn)發(fā)電。該電站于2012至2016年間進行了增容改造，改造后單機容量增加到17.5萬kW。以13F機為例，改造后發(fā)電機型號為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)電機旋轉(zhuǎn)方向為俯視順時針方向，發(fā)電機使用的定子測溫電阻為東方電機廠配套提供。

2 定子測溫電阻

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

但在機組陸續(xù)投產(chǎn)后，經(jīng)過4～5年的運行，銅街子水電站各臺機組定子測溫電阻損壞量超過1/3，有的機組損壞率甚至達到了百分之50以上。以13F發(fā)電機為例，其定子測溫電阻有7～8個測點時常出現(xiàn)溫度突變, 個別測點溫度不隨機組負(fù)荷變化而變化。由于水電站工作環(huán)境復(fù)雜，不能及時對損壞電阻進行更換，嚴(yán)重影響了運行人員對發(fā)電機運行狀況的監(jiān)測，造成比較嚴(yán)重的安全隱患。

3 定子測溫電阻故障原因分析及解決方法

通過對測溫元件選型及機組運行情況等的綜合分析，得出定子測溫點損壞原因：一是測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)，在高溫和振動環(huán)境下容易斷裂和接觸不良[2]。二是運行環(huán)境惡劣。定子測溫電阻埋設(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)境里并時刻承受冷卻風(fēng)流的沖擊和機組振動的影響。機組上導(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)境中長時間運行, 就會出現(xiàn)測溫元件損壞、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)置新的測溫元件，并適當(dāng)增加備用電阻。以增容改造為契機，銅街子水電站從2012年開始將每臺機組原來使用的定子測溫電阻進行了更換，將原來的定子測溫電阻替換為光刻濺射工藝制作的Pt100芯片，型號為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。芯片引腳采用鉑鎳合金可以保證焊接后引線的機械性能，避免引接線線在傳感器內(nèi)斷開。同時，適量增補2J2049型Cu50銅熱電阻作為備用，使運行人員更好地掌握機組運行狀況，保證機組更加安全、穩(wěn)定、健康地運行。

4 銅街子水電站13F機組定子測溫電阻改造方案

筆者以銅街子水電站13F機組為例對水電站的定子測溫電阻改方案進行詳細(xì)的介紹說明。定子測溫電阻的改造主要分為定子線圈測溫電阻的更換和定子鐵芯測溫電阻的改造兩部分。根據(jù)測溫需要，共需埋設(shè)120個測溫電阻，包含72個Pt100和48個Cu50電阻，其中，上、下壓指12個(Pt100)，上、下鐵芯12個(Pt100)，槽底中部24個(12個Cu50，12個Pt100)，層間上部24個(12個Cu50，12個Pt100)，層間中部24個(12個Cu50，12個Pt100)，層間下部24個(12個Cu50，12個Pt100)。在定子槽底中部和層間中部設(shè)置了24個測溫監(jiān)測點(表1)，此埋設(shè)方式使測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，96個備用點也能充分滿足測溫點損壞后能得到及時更換的要求。測溫電阻布置見圖 1。

表1 銅街子水電站13F定子測溫電阻測溫監(jiān)測點分布情況

圖1 銅街子水電站13F機組定子測溫電阻布置圖

4.1 定子線圈測溫電阻的更換

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

4.1.1 拆除線棒

由于銅街子13F發(fā)電機涉及增容改造，線棒均需更換，定子線圈測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，以便后期把新的測溫電阻安裝到位。

4.1.2 安裝層間測溫電阻

測溫電阻在安裝之前要用1235低電阻半導(dǎo)體漆進行涂刷，然后，測量其對地電阻，確保對地電阻高于20 MΩ才能使用。對照圖紙確定槽底中部、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。在安裝的時候，要將電阻的引線接頭錯開，接頭安裝固定后需用錫焊進一步加固。然后，把固定好的測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，再對測溫電阻的接地電阻進行測量確認(rèn)，并對線路回路進行檢查，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)安裝錯位或者安裝不牢固的情況。鑲嵌到位之后，需要對上層線棒進行焊接，該過程要注意絕緣部位的包裹、線棒端部的保護、焊接后的修正及保護，避免外界的金屬顆粒進入。

4.1.4 定子測溫電阻接地

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

4.1.5 定子測溫電阻焊接

定子電阻放置完畢后，從定子機座上方放置測溫電纜線，在電纜線兩端系上白布帶，并寫出對應(yīng)電阻槽號，為上線和焊接做準(zhǔn)備。將測溫電阻引出線與測溫電纜線剝出，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。

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

4.1.6 更換質(zhì)量檢測與試驗

將發(fā)電機恢復(fù)到正常狀態(tài)之后要進行三相直流電阻的平衡試驗，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，還要對絕緣電阻值進行測量，確保符合基本要求。最終要按照對發(fā)電機進行大修的標(biāo)準(zhǔn)來檢驗發(fā)電機運行的相關(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 定子鐵芯測溫電阻的改造處理

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

圖2 定子測溫元件位置示意圖

具體的步驟如下：首先要把發(fā)電機的冷卻器拆除，然后，從定子鐵芯背面的通風(fēng)口的位置把需要安裝的12個測溫電阻依次塞到里面，需要專用的楔塊工具。同時，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量的誤差。因為如果不堵住通風(fēng)溝，冷卻風(fēng)就會降低定子的實際溫度，導(dǎo)致溫度測量不準(zhǔn)確。

5 改造效果評估

為更好地反映測溫電阻所改造地方的效果，需采用兩種不同的對比方式來說明。通過監(jiān)控報表系統(tǒng)收集發(fā)電機運行中的各種數(shù)據(jù)，選擇不同的對比方式來說明改造的具體效果。第一種方法是對比機組溫升數(shù)據(jù)，通過對比改造前后，發(fā)電機在零負(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)來對比測溫電阻改造的效果。第二種方式是對于在負(fù)荷相對不變且都是工作3 h的前提下對比機組產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)。

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，兩種對比方式都表明：更換后的線圈測溫的測點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)荷的時候能相對準(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，主要是由于測溫電阻安裝在通風(fēng)溝內(nèi)，但是不影響實際的使用，有經(jīng)驗的人員能夠根據(jù)自身經(jīng)驗判斷定子鐵芯的實際溫度。

6 結(jié) 語

筆者對銅街子水電站發(fā)電機組參數(shù)和定子測溫的電阻概況進行介紹，分析定子測溫電阻故障原因。然后，提出針對銅街子水電站13F機組定子測溫電阻的整改方案，并對該改造方案的改造效果進行科學(xué)的評估。銅街子水電站13號發(fā)電機定子測溫電阻改造順利完成后，各測點工作正常，系統(tǒng)穩(wěn)定，對機組運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溫電阻改造方案，同樣能成功用于銅街子電站其余3臺機組。目前銅街子水電站4臺機組定子測溫電阻改造后已經(jīng)平穩(wěn)運行4～5年, 說明系統(tǒng)性更換和增補測溫電阻是解決機組定子測溫電阻損壞的一種比較成熟與合理的方案，為其他電站機組定子測溫電阻改造提供了重要的參考依據(jù)。