燈泡貫流式水力發(fā)電機(jī)組絕緣保持研究與思考

何 滔，汪廣明

(國(guó)家能源大渡河沙坪發(fā)電有限公司，四川 樂(lè)山 614300)

沙南電站位于大渡河干流中下游，總裝機(jī)6×58 MW的燈泡貫流式機(jī)組，是目前國(guó)內(nèi)單機(jī)容量最大的燈泡貫流式機(jī)組。

據(jù)沙南所處地理位置當(dāng)?shù)貧庀蟛块T(mén)歷年資料顯示，多年平均氣溫16.3℃，各月平均氣溫在6.5℃～25.1℃之間，極端最高氣溫37.6℃，發(fā)生在8月份，極端最低氣溫-3.2℃，出現(xiàn)在12月。多年平均相對(duì)濕度77%，各月平均相對(duì)濕度在72%～82%之間，九、十月份月平均相對(duì)濕度最大為82%，三、四月平均相對(duì)濕度最小為72%，各月最小相對(duì)濕度為14%，發(fā)生在六月份。貫流式機(jī)組的結(jié)構(gòu)特性與所處環(huán)境的溫濕度是燈泡貫流式發(fā)電機(jī)組絕緣降低的主要影響因素之一[1]。

隨著電網(wǎng)能源的豐富和多樣化，西部水電的大規(guī)模開(kāi)發(fā)，水電資源富裕，水電設(shè)備利用小時(shí)數(shù)降低，大量機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間處于停機(jī)備用狀態(tài)。為了保持機(jī)組絕緣合格，多機(jī)組帶少量負(fù)荷已成常態(tài)，對(duì)機(jī)組造成極大的浪費(fèi)且長(zhǎng)時(shí)間的累積后，導(dǎo)致機(jī)組狀態(tài)不穩(wěn)定，對(duì)機(jī)組的損傷也逐漸加大。設(shè)備利用時(shí)間的下降，也是影響機(jī)組絕緣的因素之一[2]。

1 燈泡貫流式發(fā)電機(jī)組特征

燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組是一種應(yīng)用于低水頭電站的機(jī)型，由于這種機(jī)型結(jié)構(gòu)特殊，機(jī)組運(yùn)行環(huán)境與普通立式機(jī)組環(huán)境有很大不同，燈泡貫流式水輪機(jī)采用臥軸燈泡式，與位于流道上游燈泡體內(nèi)的發(fā)電機(jī)相連接，發(fā)電機(jī)被安置在完全密封的燈泡型殼體內(nèi)，燈泡體成為水輪機(jī)流道的組成部分。機(jī)組的發(fā)電機(jī)密封安裝在水輪機(jī)上游側(cè)燈泡型的金屬殼體中，發(fā)電機(jī)水平方向安裝，水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)采用同軸結(jié)構(gòu)，整個(gè)機(jī)組為雙支點(diǎn)雙懸臂以管型座為主要支承的燈泡貫流式布置方式，發(fā)動(dòng)機(jī)主軸直接連接水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪。燈泡貫流式水輪機(jī)組的水輪機(jī)部分由轉(zhuǎn)輪室、導(dǎo)葉機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪、尾水管組成；發(fā)電機(jī)軸直接連接到轉(zhuǎn)輪，一同安裝在鋼制燈泡外殼上，發(fā)電機(jī)在燈泡殼內(nèi)，轉(zhuǎn)輪在燈泡尾端[3]。支持環(huán)固定在燈泡外殼上，轉(zhuǎn)輪端軸承固定在燈泡尾端外殼上，發(fā)電機(jī)軸前端連接到電機(jī)滑環(huán)與轉(zhuǎn)輪變槳控制的油路裝置。機(jī)組的水導(dǎo)軸承、推力軸承都布置在燈泡體內(nèi)，所有的電纜、冷卻水管道、油管、制動(dòng)器管道等都是通過(guò)燈泡豎井和燈泡體支承的空心部分與外界相連。沙南電站水輪機(jī)及發(fā)電機(jī)部分參數(shù)如表1、表2所示。

表1 水輪機(jī)部分參數(shù)表

表2 發(fā)電機(jī)部分參數(shù)表

1.1 發(fā)電機(jī)組定子特征

定子線圈采用雙層條式波繞組或疊繞組，Y形接線。F級(jí)絕緣結(jié)構(gòu)，主絕緣采用桐馬粉云母帶，防暈層直線部分為低阻，端部為高阻，主絕緣和防暈層一次熱壓固化模壓成型，定子線圈嵌線時(shí)槽內(nèi)襯以桐馬低阻半導(dǎo)體玻璃布及采用滌綸氈適形墊條，以此保證線圈在嵌線入槽內(nèi)的緊量。定子線圈接頭條用銀合金焊接。線圈端箍采用非磁性材料。沙南電站定子繞組采用二支路星形波繞組結(jié)構(gòu)，其主引出線由進(jìn)人筒引出后進(jìn)入廠房與主變連接。

定子穿心螺桿絕緣電阻用500 V搖表測(cè)量絕緣值不小于25 MΩ。定子線棒的耐壓試驗(yàn)：?jiǎn)胃ㄗ酉聦泳€棒的交流耐壓標(biāo)準(zhǔn)為2.75Ue+2.5 kV；定子上層線棒交流耐壓試驗(yàn)為2.5Ue+1.0 kV。

發(fā)電機(jī)定子繞組為F級(jí)絕緣，溫度不得超過(guò)155℃，溫升不得超過(guò)80 K，正常運(yùn)行時(shí)一般保持線圈溫度在26℃～75℃之間運(yùn)行。

發(fā)電機(jī)定子絕緣應(yīng)使用2 500 V搖表測(cè)量，絕緣電阻不得低于1.05，吸收比應(yīng)大于1.6，方認(rèn)為發(fā)電機(jī)定子絕緣合格，機(jī)組可以運(yùn)行。

1.2 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子特征

轉(zhuǎn)子是變換能量和傳遞扭距的主要部件，有顯露的磁極，勵(lì)磁繞組為集中繞組，勵(lì)磁電流可有同軸的直流勵(lì)磁機(jī)或靜止可控硅勵(lì)磁裝置供給。主要由大軸、轉(zhuǎn)子支架、磁軛、磁極等部件組成。

轉(zhuǎn)子磁軛采用支架磁軛結(jié)構(gòu)。磁軛通過(guò)鍵或熱套等方式與轉(zhuǎn)軸連成一個(gè)整體，用于小容量機(jī)組。沙南電站采用筒式熱套方式。

集電環(huán)支架固定在轉(zhuǎn)子支架上，以銷(xiāo)釘定位。磁極引線應(yīng)為銀焊銅排。其截面應(yīng)至少比最大勵(lì)磁電流所要求的銅截面大30%。電刷固定端的連接為銀焊銅編織帶。集電環(huán)其絕緣電阻應(yīng)不小于5 MΩ，檢修時(shí)如果要進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，其耐壓值為4 350 V。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈為F級(jí)絕緣，溫度不得超過(guò)155℃，溫升不得超過(guò)85 K，運(yùn)行中用電壓、電流法進(jìn)行監(jiān)視，所求得的溫度應(yīng)小于或等于允許溫度。

轉(zhuǎn)子絕緣測(cè)量應(yīng)使用500 V搖表，絕緣電阻不得低于0.5 ，即發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣合格，機(jī)組可以運(yùn)行。

2 對(duì)定轉(zhuǎn)子絕緣保持的思考

2.1 外部設(shè)備外加電流發(fā)熱

將水輪發(fā)電機(jī)定子繞組首尾順次連接，外部直流電源接入定子繞組，所需電壓值根據(jù)發(fā)電機(jī)定子繞組的直流電阻和所需電流大小確定。外接直流電源線路上同時(shí)接入變阻器調(diào)節(jié)電流及電壓，不應(yīng)使用閘刀開(kāi)關(guān)或自動(dòng)開(kāi)關(guān)切斷電流，應(yīng)使用變阻器梯度降低電壓的方法切斷電源，以避免瞬時(shí)過(guò)電壓擊穿絕緣。用此方法干燥定子繞組絕緣時(shí)，應(yīng)隨時(shí)檢查定子鐵芯、線圈溫度，烘干過(guò)程還應(yīng)關(guān)注局部溫度，避免局部過(guò)熱[4]。

2.2 通過(guò)除濕機(jī)與加熱器

在發(fā)電機(jī)定子上下游側(cè)設(shè)有加熱器，加熱器在停機(jī)時(shí)能自動(dòng)投入，機(jī)組運(yùn)行時(shí)能自動(dòng)退出。

安裝通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)艙內(nèi)溫度、濕度設(shè)定，使定轉(zhuǎn)子處于可控環(huán)境內(nèi)來(lái)維持定轉(zhuǎn)子絕緣電阻。沙南外部安裝除濕機(jī)部分參數(shù)如表3所示。

表3 除濕機(jī)具體參數(shù)表

兩臺(tái)機(jī)組共用一臺(tái)除濕機(jī)，通過(guò)手動(dòng)切換閥控制。安裝除濕機(jī)后機(jī)組多次進(jìn)行開(kāi)停機(jī)操作，在開(kāi)機(jī)前對(duì)定轉(zhuǎn)子絕緣進(jìn)行測(cè)量。使用結(jié)果如表4、圖1所示。

表4 絕緣電阻數(shù)據(jù)表

2.3 停機(jī)在線絕緣監(jiān)測(cè)

大型發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)一般采用電測(cè)法，發(fā)電機(jī)定子繞組局部放電主要有三種類(lèi)型：內(nèi)部放電、端部放電和槽間放電。三種放電類(lèi)型形成的機(jī)理不同，放電強(qiáng)度也有所不同。預(yù)計(jì)監(jiān)測(cè)效果如圖2所示。

圖1 某機(jī)組停機(jī)后定子鐵芯與繞組溫度變化圖

圖2 某機(jī)組停機(jī)后GCB某相各段溫度變化圖

2.4 定時(shí)空轉(zhuǎn)機(jī)組方式

在水輪機(jī)不加勵(lì)磁電流、不建壓的情況下，通過(guò)水輪機(jī)空轉(zhuǎn)產(chǎn)生空氣流動(dòng)，使其發(fā)熱，自然風(fēng)干內(nèi)部水分和濕氣。

2.5 適當(dāng)改善冷卻方式

發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)采用一次水循環(huán)直接冷卻方式，通風(fēng)系統(tǒng)采用密閉強(qiáng)迫自循環(huán)混合方式，發(fā)電機(jī)冷卻及通風(fēng)系統(tǒng)采用一次水循環(huán)直接冷卻方式，發(fā)電機(jī)冷卻及通風(fēng)系統(tǒng)由軸向流通風(fēng)機(jī)、空氣冷卻器、相關(guān)管路及元器件組成。在發(fā)電機(jī)的上游側(cè)安裝8臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，將由8臺(tái)空氣冷卻器冷卻水冷卻后的冷風(fēng)加壓后送入發(fā)電機(jī)，形成相對(duì)密閉自循環(huán)的風(fēng)路，通過(guò)密閉自循環(huán)強(qiáng)迫空氣冷卻方式達(dá)到對(duì)發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子冷卻降溫的目的。沙南空冷風(fēng)及定子鐵芯、繞組溫度運(yùn)行參數(shù)值如表5所示。

表5 空冷風(fēng)及定子鐵芯、繞組溫度運(yùn)行參數(shù)值表

氣動(dòng)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)中對(duì)冷卻空氣壓力和空氣溫升做出了規(guī)定：在其他條件恒定的情況下，冷卻空氣壓力P與空氣的溫升ΔT成反比，即ΔT=κ/P，κ為一個(gè)系數(shù)。且冷卻空氣壓力P與空氣散熱系數(shù)α間存在以下關(guān)系：α=κ(PV)0.75，即空氣壓力P越大，空氣散熱系數(shù)α也越大。通過(guò)風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫空氣循環(huán)，將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的熱量帶走，貼燈泡體內(nèi)壁流通，將熱量直接傳遞給河水。增壓通風(fēng)冷卻方式需在燈泡內(nèi)裝多臺(tái)軸流式風(fēng)機(jī)，使空間減少，同時(shí)給維護(hù)、檢修帶來(lái)不便[5]。

密閉強(qiáng)迫自循環(huán)混合冷卻方式也會(huì)將一定的水分和濕氣帶入發(fā)電機(jī)，在降溫的同時(shí)也會(huì)一定程度的影響機(jī)組絕緣。通過(guò)適當(dāng)改善冷卻方式，將濕氣與水分做科學(xué)精細(xì)的控制，一定程度上保持機(jī)組絕緣。沙南使用效果如圖3所示。

圖3 某機(jī)組停機(jī)后空冷溫度變化圖

2.6 采用特殊材料或外部加熱干燥

發(fā)電機(jī)艙內(nèi)壁涂刷防結(jié)露漆，在定子機(jī)座底部設(shè)排水槽，外接排水管通至廠房排水溝。定子繞組受潮時(shí)會(huì)導(dǎo)致整體絕緣下降。受潮原因是發(fā)電機(jī)及其附屬設(shè)備不完全密封，濕度高時(shí)，特別是夏季陰雨天氣，定子繞組出口及中性點(diǎn)引出線處支持瓷瓶表面易結(jié)露形成水珠、水膜、使定子繞組整體絕緣降低，且水珠潮氣極易具有導(dǎo)電性，造成絕緣值降低。導(dǎo)致發(fā)電機(jī)在停運(yùn)狀態(tài)下極易受潮，主要表現(xiàn)在泄漏電流顯著增加、絕緣電阻顯著降低[6]。

絕緣材料影響著發(fā)電機(jī)使用的安全性和可靠性，在長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中，發(fā)電機(jī)由于受到電氣故障、溫度、摩擦和機(jī)械振動(dòng)的共同作用以及不同外部環(huán)境條件的影響，其定子繞組以及鐵芯疊片之間的絕緣部分會(huì)逐漸產(chǎn)生老化，絕緣電阻值下降。

根據(jù)實(shí)際條件，也可適當(dāng)選擇外部加熱干燥的方法，選擇合適的熱源，對(duì)發(fā)電機(jī)繞組與鐵芯進(jìn)行加熱，使發(fā)電機(jī)內(nèi)水分蒸發(fā)。應(yīng)用此方法應(yīng)注意熱源與定子之間的距離，避免局部過(guò)熱。

3 結(jié) 語(yǔ)

燈泡貫流式機(jī)組由于其結(jié)構(gòu)的特殊性造成其發(fā)電機(jī)絕緣保持存在一些有待完善的部分。從源頭上來(lái)說(shuō)，目前機(jī)組停機(jī)后對(duì)絕緣的監(jiān)測(cè)手段較少，應(yīng)加強(qiáng)停機(jī)后對(duì)機(jī)組的絕緣監(jiān)測(cè)以及各關(guān)鍵部位的溫度、濕度監(jiān)測(cè)，對(duì)機(jī)組停機(jī)后絕緣的變化采集數(shù)據(jù)量化，形成更直觀的判斷。從解決方法來(lái)說(shuō)，可通過(guò)自身實(shí)際情況，選擇合適的絕緣保持方法，來(lái)保證機(jī)組絕緣合格，保障廠站出力能力和機(jī)組健康。