1000MW汽輪發(fā)電機(jī)線棒層間溫差大問(wèn)題原因探討

施俊峰 尚新建 趙波

摘要：本文介紹了國(guó)內(nèi)某核電站1000MW汽輪發(fā)電機(jī)線棒層間溫差偏大問(wèn)題的背景和分析方法。從溫度探頭測(cè)量準(zhǔn)確性、設(shè)備設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、工藝特點(diǎn)、絕緣溫降等幾個(gè)因素，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)水流量試驗(yàn)、熱水流試驗(yàn)、空載試驗(yàn)等試驗(yàn)和河洛發(fā)電廠6#機(jī)溫差高的典型案例綜合分析，排除了發(fā)電機(jī)線棒堵塞、鐵芯局部過(guò)熱、線棒局部過(guò)熱等原因，對(duì)該機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行提供了技術(shù)支撐，確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。該文對(duì)大型發(fā)電機(jī)此類型缺陷的原因查找和處理具有重要參考意義。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī) ?線棒 ?層間溫差

一、 引言

大型發(fā)電機(jī)在運(yùn)行期間，定子線棒溫度出現(xiàn)異常時(shí)，如果不及時(shí)進(jìn)行分析并處理，嚴(yán)重時(shí)將引起線棒過(guò)熱而燒壞發(fā)電機(jī)，造成嚴(yán)重的設(shè)備故障和經(jīng)濟(jì)損失。因此，發(fā)電機(jī)線棒溫度的監(jiān)測(cè)及出現(xiàn)異常時(shí)的及時(shí)處理，對(duì)發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有十分重要的意義。

二、 概述

1、異常情況描述

某核電站1000MW汽輪發(fā)電機(jī)在滿功率運(yùn)行狀態(tài)下，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子線棒層間溫度最高74.3℃ ?，最低 ?61.2℃，溫差達(dá)13.1℃。且各點(diǎn)溫度不均勻，溫度超過(guò)70℃的有6個(gè)點(diǎn)，溫度低于63℃的有9個(gè)點(diǎn)，多點(diǎn)溫差均超過(guò)了8℃。上、下層線棒出水溫度十分均勻，上層出水平均溫度62.87℃，下層出水平均溫度61.13℃（見(jiàn)圖1）。經(jīng)查看歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在發(fā)電機(jī)短路、空載及升降功率過(guò)程中，層間溫度均存在較大溫差。

該發(fā)電機(jī)生產(chǎn)廠家及技術(shù)文件均未對(duì)線棒層間溫差作任何規(guī)定，但是根據(jù)《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》中明確要求：“制造廠未明確規(guī)定的，如定子線棒層間最高與最低溫度間的溫差達(dá)8℃或定子線棒引水管出水溫差達(dá)8℃時(shí)應(yīng)報(bào)警，應(yīng)及時(shí)查明原因，此時(shí)可降低負(fù)荷。定子線棒溫差達(dá)14℃或定子引水管出水溫差達(dá)12℃，或任一定子槽內(nèi)層間測(cè)溫元件溫度超過(guò)90℃或出水溫度超過(guò)85℃時(shí)，在確認(rèn)測(cè)溫元件無(wú)誤后，應(yīng)立即停機(jī)處理”。

2、 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

該電廠1000MW發(fā)電機(jī)型號(hào)為TA1100-78，冷卻方式為水氫氫冷卻，由東方電機(jī)廠采用ALSTOM技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。定子鐵芯共48個(gè)線槽，每槽布置上、下兩層線棒。每根線棒內(nèi)部分散布置16根不銹鋼空心管道，用于通水冷卻線棒，線圈內(nèi)部采用540度羅貝爾換位結(jié)構(gòu)。

冷卻水從發(fā)電機(jī)勵(lì)磁側(cè)環(huán)形進(jìn)水匯流管通過(guò)聚四氟乙烯絕緣引水管流入定子繞組，再?gòu)囊芰魅肫谁h(huán)形出水管。上層和下層繞組均有獨(dú)立的水支路，共有48個(gè)并聯(lián)的繞組水支路，另有6路冷卻水從勵(lì)磁側(cè)的環(huán)形進(jìn)水匯流管進(jìn)入，通過(guò)絕緣引水管流經(jīng)繞組端部連接線、主引線、出線瓷套端子和中性點(diǎn)母線后，進(jìn)入冷卻水系統(tǒng)。定冷水箱為密閉式的，系統(tǒng)采用貧氧運(yùn)行。

每個(gè)線棒的汽端絕緣引水管與匯水管接頭處均有溫度探頭用來(lái)監(jiān)測(cè)線棒出水溫度，共96個(gè)pt100測(cè)溫元件，每個(gè)線槽上、下層線棒間在汽端第3段鐵芯處均布置溫度探頭，用來(lái)監(jiān)測(cè)線棒層間溫度，共48個(gè)pt100測(cè)溫元件。

三、 原因分析

該機(jī)組層間溫差偏大現(xiàn)象有以下特點(diǎn)：

層間溫度異常點(diǎn)較多，且各點(diǎn)分散無(wú)關(guān)聯(lián)性，見(jiàn)圖1。

不僅存在溫度偏高異常點(diǎn)，同時(shí)也存在溫度偏低異常點(diǎn)，見(jiàn)圖1。

各溫度異常點(diǎn)（壞點(diǎn)除外）溫度變化趨勢(shì)正常。

層間線棒出現(xiàn)溫差存在溫度分界點(diǎn)，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下一般溫度超過(guò)30℃后才呈現(xiàn)溫差。

層間溫度異常點(diǎn)對(duì)應(yīng)的上、下層線棒出水溫度未見(jiàn)異常，且出水溫度十分均勻，此外鐵芯、銅屏蔽溫度也未見(jiàn)異常。

下面結(jié)合以上特點(diǎn)及發(fā)電機(jī)大修檢查情況對(duì)各可能原因進(jìn)行分析。

1、溫度探頭測(cè)量的準(zhǔn)確性

在發(fā)電機(jī)定子槽部上下層線棒之間埋置電阻測(cè)溫元件以監(jiān)測(cè)線棒層間溫度。因發(fā)電機(jī)機(jī)座為密封防爆結(jié)構(gòu)，溫度測(cè)量引接線經(jīng)接線柱轉(zhuǎn)接后引出機(jī)外。接線柱兩端采用航空插頭接線方式，可能因接觸不良、信號(hào)傳輸異常或測(cè)溫元件故障影響測(cè)溫結(jié)果。此外，測(cè)溫探頭及其引線回路在發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，處于一個(gè)較強(qiáng)的電磁場(chǎng)環(huán)境中，電磁場(chǎng)的干擾也可能影響溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性。

為檢查探頭測(cè)量是否準(zhǔn)確，進(jìn)行了如下檢查：

（1） 機(jī)組運(yùn)行期間，工作人員在發(fā)電機(jī)航空插頭處和轉(zhuǎn)接箱中測(cè)量了各探頭的電阻值，經(jīng)過(guò)換算與KIC上顯示的溫度值相比較，結(jié)果完全相符（壞點(diǎn)316MT除外），說(shuō)明探頭損壞和回路異常的可能性較小;

（2） 機(jī)組大修期間，進(jìn)行了熱水流試驗(yàn)，各溫度測(cè)點(diǎn)顯示值均勻，無(wú)明顯偏差

（3） 各溫度異常點(diǎn)在發(fā)電機(jī)短路、空載、升功率過(guò)程中溫度變化趨勢(shì)一致，且經(jīng)分析變化趨勢(shì)均正常（個(gè)別壞點(diǎn)除外），說(shuō)明探頭電阻溫度特性良好;

（4） 在穩(wěn)定功率平臺(tái)，各層間溫度穩(wěn)定（個(gè)別壞點(diǎn)除外）

（5） 停機(jī)狀態(tài)下，各測(cè)點(diǎn)溫度一致，無(wú)溫差，說(shuō)明測(cè)量回路無(wú)異常。

根據(jù)以上幾點(diǎn)綜合分析，除個(gè)別壞點(diǎn)，其余測(cè)點(diǎn)測(cè)量的溫度是準(zhǔn)確的。但是針對(duì)是否存在電磁場(chǎng)干擾的問(wèn)題，目前尚無(wú)法確認(rèn)，需進(jìn)一步進(jìn)行排查。層間溫度測(cè)溫元件處于強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境，原材料中的微量元素（雜質(zhì)）在一定強(qiáng)度的電磁場(chǎng)作用下，會(huì)引起材料發(fā)熱，導(dǎo)致電阻增大。一般情況下，如果雜質(zhì)含量低，屏蔽措施好，這個(gè)問(wèn)題并不明顯，所以層間溫度的測(cè)量是正常的。如果雜質(zhì)含量增大、屏蔽措施不足，這個(gè)問(wèn)題便會(huì)表現(xiàn)的比較明顯，針對(duì)該問(wèn)題目前無(wú)具體數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，需進(jìn)一步分析確認(rèn)。

2、發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝原因

該發(fā)電機(jī)線棒測(cè)溫元件采用埋入式測(cè)溫元件，埋設(shè)在定子槽中上、下層線棒絕緣之間，它測(cè)量的是銅導(dǎo)體絕緣外表面的溫度，線棒的主絕緣厚度約5mm，絕緣外表面溫度與線棒銅導(dǎo)體的溫度存在一定的差值，此差值稱為線棒的絕緣溫降。此絕緣溫降在未經(jīng)試驗(yàn)測(cè)出之前，在額定負(fù)荷下，一般可用式（1）估算，即

ΔT=kT1（1）

式中ΔT絕緣溫降（k）;k-系數(shù)，取0.5～0.6; T1-絕緣槽壁溫降設(shè)計(jì)值（k）

繞組層間溫度可用式（2）表示

T=T0-ΔT=T0-kT1（2）

式中T為繞組層間溫度，T0為繞組銅導(dǎo)體溫度，ΔT為絕緣溫降

從上式可以看出繞組層間溫度由繞組銅導(dǎo)體溫度和絕緣溫降決定。

繞組銅導(dǎo)體溫度與繞組直阻、繞組電流、冷卻等因素有關(guān)，常見(jiàn)的有線棒異物堵塞或氣堵，導(dǎo)致冷卻不足，繞組銅導(dǎo)體溫度升高。

絕緣溫降的大小與電機(jī)形式、通風(fēng)情況、電流密度、絕緣厚度、絕緣材料種類、絕緣老化程度、檢溫計(jì)尺寸以及埋設(shè)情況等因素有關(guān)。

下面根據(jù)實(shí)際情況，針對(duì)一些可能因素進(jìn)行分析。

2.1 發(fā)電機(jī)繞組堵塞導(dǎo)致過(guò)熱

從表1洛河發(fā)電廠6#機(jī)的情況可以看出，洛河發(fā)電廠6#機(jī)在滿功率狀態(tài)下， 第12槽層間溫度比其他槽層間溫度高10.2℃，且12槽上、下層線棒出水溫度未見(jiàn)異常，后經(jīng)核實(shí)確認(rèn)12槽線棒存在堵塞現(xiàn)象（見(jiàn)表1）。在線棒出現(xiàn)輕微堵塞時(shí)，層間溫度升高，上、下線棒出水溫度未必會(huì)升高。

但是該核電站的異常情況與洛河發(fā)電廠6#機(jī)相比，存在很多差異：

（1） 該機(jī)組層間溫差異常高的點(diǎn)較多，通過(guò)該核電站1#機(jī)組的參數(shù)對(duì)比分析來(lái)看，線棒層間溫度正常值約65℃，據(jù)此來(lái)看，溫度異常偏高的點(diǎn)多達(dá)20個(gè)。如果是由于線棒堵塞造成的，這么多的線棒堵塞必然會(huì)導(dǎo)致定子冷卻水流量下降，但是事實(shí)上定冷水流量并未變化。

（2） 經(jīng)查發(fā)電機(jī)定子線棒水流量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，流量分配基本均勻，符合流量試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。且發(fā)電機(jī)定子出水溫度基本分布均勻，并與水流量分配試驗(yàn)結(jié)果和層間溫度分布沒(méi)有規(guī)律性。

（3） 發(fā)電機(jī)定子繞組由實(shí)心銅線和空心銅線交叉組成，容易出現(xiàn)線棒腐蝕而出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。該核電站發(fā)電機(jī)線棒結(jié)構(gòu)與案例中發(fā)電機(jī)線棒結(jié)構(gòu)有差異，每根線棒內(nèi)部分散布置16根不銹鋼空心管道（見(jiàn)圖2），整個(gè)線棒被均勻冷卻，即使某一個(gè)管道出現(xiàn)局部堵塞，層間溫差也不會(huì)這么大。

（4） 除了異常偏高點(diǎn)外，還有9個(gè)異常偏低點(diǎn)，線棒堵塞基本是不會(huì)導(dǎo)致層間溫度偏低的。

綜合以上幾點(diǎn)分析，認(rèn)為該發(fā)電機(jī)不存在線棒堵塞現(xiàn)象。

2.2 絕緣溫降的影響

2.2.1絕緣厚度、材料、老化影響

根據(jù)計(jì)算，在銅導(dǎo)體絕緣層之間，溫度梯度呈非線性變化。愈接近銅導(dǎo)體，絕緣層溫度越高;愈靠近線棒外表面，則愈低。因此絕緣層的厚度將直接影響線棒繞組絕緣溫降。線棒主絕緣厚度均按標(biāo)準(zhǔn)5mm制造，且線棒制造工藝成熟，線棒不同部位絕緣厚度不一致的可能性極低。同一機(jī)組所用絕緣材料應(yīng)該是一致的，且這是一臺(tái)新機(jī)組，絕緣基本不存在老化的現(xiàn)象。而且熱水流試驗(yàn)也從一定角度證明了，線棒的絕緣溫降基本是一致的。因此可基本排除絕緣厚度、材料、老化的影響。

2.2.2線棒絕緣局部過(guò)熱

當(dāng)線棒局部發(fā)生電暈、電腐蝕產(chǎn)生高熱，對(duì)絕緣材料形成熱、機(jī)械、化學(xué)損傷，引起絕緣層局部過(guò)熱，而且絕緣溫將也將降低，可能導(dǎo)致層間溫度偏大。

線棒絕緣局部過(guò)熱時(shí)，會(huì)分解出一些熱解粒子并擴(kuò)散到氫氣中，發(fā)電機(jī)絕緣過(guò)熱裝置檢測(cè)到熱解粒子后，原離子電流將大幅度降低，示數(shù)低于50%將發(fā)出報(bào)警信號(hào)。此外，若存在局部放電，局放監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)的局放量也會(huì)異常升高。但經(jīng)查看絕緣過(guò)熱裝置和局放裝置數(shù)據(jù)，均未發(fā)現(xiàn)異常。所以絕緣局部過(guò)熱的可能極低。

3、 探頭安裝工藝

線棒表面絕緣的溫度分布是不一致的，線棒兩側(cè)的絕緣緊挨著鐵芯，受氫氣和鐵芯溫度的影響，溫度較低，與鐵芯溫度相近。而層間絕緣溫度較高，且受鐵芯和氫氣影響的程度跟位置有關(guān)系，越靠近層間絕緣中心線的位置，影響越小，溫度越高。越靠近鐵芯側(cè)，受到的影響越大，溫度越低。查看數(shù)據(jù)可知，層間絕緣溫度比鐵芯溫度高約20℃，鐵芯最高溫度數(shù)據(jù)顯示只有50℃，而層間絕緣溫度最高點(diǎn)約為73℃。

層間溫度探頭埋設(shè)在兩線棒絕緣之間（如圖2），探頭與線棒對(duì)稱平行布置，且壓緊不可移動(dòng)。如果各測(cè)點(diǎn)探頭安裝的相對(duì)位置不一致，可能導(dǎo)致測(cè)量的溫度存在差異。探頭安裝在層間絕緣中心線處，所測(cè)得的溫度最高，安裝位置越靠近鐵芯側(cè)，所測(cè)得溫度越低，因?yàn)槭艿綒錃夂丸F芯溫度的影響越大。因此，探頭的安裝工藝可能影響層間溫度的測(cè)量，導(dǎo)致層間溫差偏大。

四、 結(jié)束語(yǔ)

該電站發(fā)電機(jī)是2013年并網(wǎng)商運(yùn)，在工程安裝調(diào)試期間空載試驗(yàn)時(shí)，就存在定子繞組線棒層間絕緣溫差偏大的現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)水流量試驗(yàn)、熱水流試驗(yàn)、短路試驗(yàn)、空載試驗(yàn)和在線監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)結(jié)果等綜合分析、論證，排除了發(fā)電機(jī)線棒局部堵塞、定子鐵芯局部過(guò)熱、線棒絕緣局部過(guò)熱等影響發(fā)電機(jī)運(yùn)行的嚴(yán)重故障模式，得出該發(fā)電機(jī)可繼續(xù)保持運(yùn)行的結(jié)論，并運(yùn)行至今，未發(fā)現(xiàn)線棒層間溫差有擴(kuò)大趨勢(shì)，對(duì)查找和處理此類型缺陷具有重要參考意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 《發(fā)電機(jī)定子線棒層間溫度單點(diǎn)異常升高分析及處理》安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào) ?1672-9706（2012）O1.0082.03 ?陳國(guó)棟

[2] 《大型發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)、制造與運(yùn)行》汪耕、李希明等，上海科學(xué)技術(shù)出版社

作者簡(jiǎn)介：

施俊峰（1988-），男，福建，電氣系統(tǒng)工程師，本科，主要從事核發(fā)電機(jī)設(shè)備管理和檢修工作，（E-mail）shijunfeng@cgnpc.com.cn

尚新建（1980-）福建，電氣系統(tǒng)工程師，本科，主要從事核發(fā)電機(jī)設(shè)備管理和檢修工作，（E-mail）shangxinjian@cgnpc.com.cn

趙 ?波（1986-）福建，電氣系統(tǒng)工程師，本科，主要從事核電氣系統(tǒng)設(shè)備管理工作，（E-mail）zhaobo@cgnpc.com.cn