大型水轮发电机定子绕组典型问题分析
付强, 满宇光, 张秋寒, 黄程伟, 郑伟, 冯超, 纪寅, 徐冰, 李振海(哈尔滨大电机研究所, 黑龙江 哈尔滨, 150040; 水力发电设备国家重点实验室, 黑龙江哈尔滨, 150040; 国家水利发电设备工程技术研究中心, 黑龙江 哈尔滨, 150040; 哈尔滨电机厂有限责任公司, 黑龙江 哈尔滨, 150040)
[摘要]本文从几方面介绍了定子绕组存在的问题及处理措施。首先从下线过程中的准备工作及关键工序中的质量控制、胶漆类材料固化问题、耐压试验前的准备工作等方面, 介绍了定子线棒下线的质量控制的重要性。其次介绍了绕组端部表面存在的半导体杂物、绝缘盒灌注质量、端部积碳对绕组质量的影响。最后介绍了下线过程中线棒的主绝缘受损而采取的绝缘与防暴层修复措施。
[关键词]绕组端部; 定子线棒; 主绝缘; 耐压试验; 泄漏电流
[中图分类号] TM312 [文献标识码] B [文章编号] 1000- 3983(2014)07- 0083- 05
Analyze Problems of Large Hydrogenerator Stator Windings
FU Qiang, MAN Yuguang, ZHANG Qiuhan, HUANG Chengwei, ZHEN Wei, FENG Chao, JI Yin, XU Bing, LI Zhenghai
(Harbin Institute of Large Electric Machinery, Harbin 150040, China; State Key Laboratory of Hydropower Equipment, Harbin, 150040 China; National Engineering Research Center Hydropower Equipment, Harbin 150040, China; Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)
Abstract: This paper describes problem- solving methods in the stator windings. Firstly, it is important to control the quality of stator coils assembling, such as the preparatory works before stator coils assembling, the quality of critical working procedure, curing of adhesive materials, preparatory works before withstand voltage test. Secondly, there are several aspects to reduce the quality of stator windings, such as the semiconductor contamination on the surface of stator end winding, perfusion quality of insulation box adhesive filling, carbon deposit on the surface of stator end winding. Lastly, it is described the repair method of the insulation and anti- corona layer when the stator coils are damaged during stator coils assembling.
Key words: stator end winding; stator coil; main insulation; withstand voltage; leakage current
1 引言
目前随着中国经济的发展, 能源需求量越来越旺盛, 火力发电虽然仍是能源主力, 但是由于火力发电需要燃烧煤炭, 燃烧的产物严重污染环境, 并且煤炭是不可再生的资源, 资源逐渐枯竭而影响能源的来源。而水力发电是一种可持续应用的清洁能源, 国内外对水力发电需求量越来越大, 研制和开发大容量水轮发电机组已成为水电站的发展趋势。尽管中国的水轮发电机制造质量已达到国际先进水平[4], 但是水轮发电机在安装过程中如果不注意一些关键工序的质量控制、采取措施预防隐患, 机组运行质量会受到影响[2- 4]。下面分别从几方面进行总结大型水轮发电机定子安装时遇到的部分问题及处理措施, 为今后其它机组避免出现类似的问题提供参考。
2 定子线棒下线质量控制
定子线棒下线质量关系到机组使用寿命, 因此需要着重做好以下几方面的工作, 避免隐患存在。
2.1 下线过程中的准备工作及质量控制
- 线棒下线前槽内清理, 需要查看铁心槽内的硅钢片是否有凸出槽壁的现象, 尤其是上下端槽口处的硅钢片极易出现这种现象[5]。一旦发现有硅钢片凸出现象, 在处理过程中, 不要破坏硅钢片之间的绝缘, 以免硅钢片形成短路, 使该短路点产生涡流, 造成温度过高而破坏线棒的绝缘, 缩短机组的运行寿命。2) 槽底低阻防晕漆。低阻防晕漆有两种组分, 其中一种是固化剂, 如果没有添加固化剂, 防晕漆不会固化, 会影响防晕漆的性能。3) 半导体硅橡胶的使用。线棒槽部包绕硅橡胶后, 操作者操作不同部位所用手套不能
交叉使用, 尤其沾染槽部硅橡胶的手套不再用于绕组端部操作, 避免半导体材料粘到定子线棒端部表面。硅橡胶要配比准确, 搅拌均匀, 避免出现硅橡胶室温不固化或固化太快而无法下线问题。5)端箍与线棒缝隙填充。端箍垫的涤纶毡浸渍高阻漆后, 需拧干晾 6h~24h, 涤纶毡需用不同的规格进行适配, 保证端箍和定子线棒之间无缝隙。6)喷涂高阻漆。18kV以上的定子绕组, 下线完需要在绕组端部表面喷涂高阻漆, 斜边垫块及端箍与线棒之间部位要多喷漆, 填满缝隙。
2.2 胶漆类材料的应用
现场胶漆类材料在使用前需要注意一些问题, 以保证胶漆类材料固化充分。
端箍与线棒的绑绳在涂刷室温环氧胶时, 如果冬季施工的环境温度达不到室温温度, 在固化期间胶层表面直接接触冷空气, 胶层固化产生的反应热直接散发掉, 表面存不住热量, 表面固化反应缓慢。环氧树脂中的醚键、羟基和环氧基都是极性基团, 使得胶层表面吸附水分子和 $\mathbf{CO}{2}$ , 胺类固化剂也是极性分子, 也会吸附水分子和 $\mathbf{CO}{2}$ , 这些吸附作用都对固化反应起减缓、阻聚作用。因此环境温度达不到室温时, 需要加热促进胶黏剂的固化, 加热的温度一般 $60^{\circ}\mathrm{C} \sim 80^{\circ}\mathrm{C}$ , 保温 24h 为好。
绕组表面喷涂高阻漆时, 环境温度达不到室温, 同样需要加热促进固化。因喷涂时漆会流动, 致使局部较厚, 固化时间会比喷涂均匀的地方慢。高阻漆加热 $60^{\circ}\mathrm{C} \sim 80^{\circ}\mathrm{C}$ , 保温 24 小时完全固化, 局部较厚部位固化时间会长一些。
2.3 耐压试验注意的问题
耐压试验前需要仔细检查端部, 清理掉线棒端部表面的半导体硅橡胶颗粒 (见图 1), 尤其是槽口部位附着的硅橡胶必须清理干净。槽口处附着的硅橡胶如果清理不干净, 它会不断落到端部, 影响耐压试验的顺利实施。
[ImageCaption: 图 1 下端线棒之间的硅橡胶颗粒]
3 绕组端部隐患的影响
绕组端部存在隐患, 如果不及时处理, 会造成绕组绝缘击穿的事故。下面从三方面介绍端部隐患的危害, 为消除隐患提供参考。
3.1 绕组端部表面半导体杂物的影响
为了减小定子线棒与铁心槽壁的间隙, 线棒槽部经常包绕半导体无纺布 (涂半导体硅橡胶), 使用的半导体硅橡胶如果流到绕组端部, 不但影响耐压试验的顺利通过, 还会留下机组运行安全隐患。西南某水电站一台机组就存在这样的问题, 2009年5月机组安装时定子绕组三相直流泄漏试验, C相的泄漏电流值比 A、B相的偏大, 但是定子绕组工频交流耐压试验合格, 且机组启动试验 72 小时及后来的满负荷运行都没有问题, 因此一直没有过多考虑直流泄漏电流偏大的问题。在以后的几次检修时, 泄漏电流始终有同样的趋势。2012年6月此台机组下层两根定子线棒下端端部短路, 同时烧毁相邻的一根下层线棒和相对的 3 根上层线棒。拆掉上层看到短路处现象 (如图 2 所示), 线棒烧毁范围约为 $80\mathrm{mm}$ , 熔断数根电磁线。短路处在层间端箍上端, 上下层线棒之间; 烧毁中心点在防晕层末端, 处于高电位位置。由于发电机定子线棒短路点已烧损且未发现异物撞击定子线棒痕迹。经分析认为, 线棒下端端部表面有半导体硅橡胶杂物, 在定子线棒下线时, 槽内半导体硅橡胶流出未清理干净 (如图 3 所示), 在高电压作用下, 容易导致线棒表面放电而腐蚀绝缘层, 在长期运行过程中因放电累积效应造成绝缘层损坏而击穿 [7,8]。鉴于以上原因, 水电站机组安装过程中, 需严格控制下线质量, 如果三相端部泄漏电流不平衡, 偏差超过标准要求, 必须检查端部存在的安全隐患, 消除隐患以免出现击穿短路的事故。
[ImageCaption: 图 2 下层线棒短路烧损处]
另一个水电站的某一机组已经安装完定、转子, 但是机组上端焊接时, 焊渣淬烤着塑料布, 烧着的塑料布落在定子绕组表面。端部绕组表面存在碳化物,
[ImageCaption: 图3 线棒端部表面的半导体杂物]
会导致端部电场畸变而产生局放,逐渐腐蚀防晕层和绝缘层,如果不及时清理干净,会成为导致相间短路的隐患。因此及时采取了以下的解决措施
)清理干净线棒之间、上下层之间、端箍表面及端箍与线棒之间碳化物(如图4);2)拆除挡风板,更换碳化的涤纶毡(如图5),检查线棒槽口部位烧伤程度,如果烧伤到附加绝缘层内的防晕层,线棒需要更换;如果没有烧伤到防晕层,清理干净表面碳化物;清理过的部位,绕组表面需刷高阻漆,室温干燥24h后,再刷一遍防护漆,自然干燥;3)清理干净磁极表面的碳化物(如图6);4)清理过程中,一定避免损坏线棒绝缘层。由此看来,机组焊接操作时,在做好绕组防护的同时,还要考虑安全问题。此次出现的问题仅是碳化物落在绕组表面,如果碳化物进一步燃烧肯定会损坏绕组绝缘,造成更大的损失。
[ImageCaption: (b)上下层线棒之间]
[ImageCaption: (c)端箍表面 图4定子上端表面的碳化物]
[ImageCaption: 图5碳化的涤纶毡]
[ImageCaption: 图6磁极表面的碳化物]
3.2 绝缘盒灌注质量的影响
湖南某水电站某台机组,是国外某一知名厂家的产品,机组额定电压 $\mathrm{U}_{\mathrm{N}} = 15.75\mathrm{kV}$ ,槽数为468。运行九年后某次小修时发现绝缘盒开裂(如图7)。开裂的绝缘盒约占一半的数量。做耐压试验时,绝缘盒处有击穿空气的声音。拆开了3个绝缘盒,灌注的环氧胶颜色没有变化,说明并头套没有发热现象,焊接质量没有问题。现场发现上端绝缘盒仅靠两个孔(直径25mm)灌注胶(如图8),盒内胶无法灌注满;绝缘盒高度偏小,套进绝缘盒内的绝缘长度40mm左右,顶部几乎无胶(如图9)。针对这两个问题,相关单位的技术人员探讨后,决定更改绝缘盒结构
;绝缘盒按照哈电的直筒结构制造。
3.3 端部积碳的影响
国内某电厂一台机组停机两天后,重新开始试运行时,因上端定子绝缘击穿而停机,其中A相绝缘盒和C相绝缘盒的端头崩开,B相过桥连接线绝缘崩开。
[ImageCaption: 图7 绝缘盒裂纹]
[ImageCaption: 图8 绝缘盒灌注胶孔]
[ImageCaption: 图9 绝缘盒灌注胶]
刚击穿时定子对地绝缘为 $0.3\mathrm{M}\Omega$ (2500V),相间绝缘为零,这是因为绕组端部表面的碳化层导致对地电阻低;由于相间碳化层相连,并且中性点处引出铜排支撑板表面碳化,造成相间电阻为零。清理端部表面碳化物,拆除击穿的绝缘盒、过桥绝缘层及中性点引出铜排的绝缘支撑板;拆除发电区域的端部绑扎垫块。再检测绝缘电阻,AC、BC、AB相间电阻分别为76MΩ、81MΩ、8.5MΩ,A、B、C三相对地电阻分别为 $9.4\mathrm{M}\Omega$ 、 $0.4\mathrm{M}\Omega$ 、 $78\mathrm{M}\Omega$ 。相间绝缘电阻不均衡,相对地绝缘电阻也不均衡,其中A相、B相对地的绝缘电阻很小。绝缘电阻这种状况在修复期间一直未变。
机组正常运行时温度在 $60\sim 80^{\circ}\mathrm{C}$ ,绝缘在这么高的温度下不会吸潮,运行期间绕组的电阻不会降低。但是修复期间A、B、C三相电阻一直较低,是因为机
组停机前,端部早就发生了绝缘腐蚀现象,绝缘表面没有防护漆的保护,停机时定子绕组温度降低而导致绝缘吸潮,最终绕组的电阻降低。加热处理3天期间,绝缘电阻逐渐增加,加热到第3天时,AC、BC、AB相间电阻分别增加到3310MΩ、2790MΩ、2800MΩ,A、B、C三相对地电阻分别为1540MΩ、1300MΩ、1440MΩ。
分析原因时发现绕组端部可以看到有碳粉沉积现象,这个现象不是放电时烟雾熏黑的现象。为何会产生积碳,经过检查发现上游端靠近电刷,电刷室内连接有两台碳粉清除机,其中一台损坏好长时间都没有修理,致使碳刷磨损的碳粉进入上游端部。积碳不但会导致绕组端部表面电阻降低形成导电通道,还引起表面放电而腐蚀绝缘层,最终造成绝缘腐蚀薄弱处顺着导电通道对铁心放电而击穿。
因此发现碳粉清除机有故障时,需要及时修复,保障能及时排除碳刷磨损下来的碳粉,避免碳粉被吸到绕组表面产生腐蚀绝缘进而发生击穿的事故。
4 损伤的主绝缘修复措施
大型机组定子线棒安装时,如果出现绝缘损坏,最适宜的方法就是更换线棒。但是有时由于某种原因,无法及时更换线棒,只能在机组上修复线棒绝缘。机组修复好后,一般运行半年至一年即可,不要运行太长时间,建议在机组检修期间及时更换掉修复的线棒。下面介绍线棒受损绝缘在机组上修复的措施,修复好后需要进行交直流耐压试验检测。
某电站一台机组因某种原因,下线完的定子绕组上端部上层8根线棒受损,三根不但损坏防晕层,主绝缘破坏深度( $4.6\mathrm{mm}$ )已到达导线位置(如图10所示);三根伤主绝缘 $1.5\sim 2\mathrm{mm}$ ;其余两根分别在引出线头、线棒末端。更换线棒必须吊出转子或拔出部分磁极,但没有工位放置转子,并且极间撑块影响又无法回装磁极,因此无法更换线棒。为不影响下序工作和其它机组安装工作,制定出修补线棒受损绝缘方案。
线棒伤及防晕层及主绝缘层,在修补损伤绝缘前,防护好需修补线棒的两侧线棒,避免粉尘进入层间而脏污绕组端部。清理损坏部位绝缘,疏松部分全部割除(如图11所示)。修补部位,边垫云母带边刷室温固化胶,每层云母带之间都要1/2搭接。当云母带厚度达到线棒主绝缘厚度时,在包扎两层防护层,然后包一层聚四氟乙烯带,再1/2叠绕包扎6层热收缩带或采取外力加压。加热 $130^{\circ}\mathrm{C}\sim 140^{\circ}\mathrm{C}$ 固化24h,保证修补部分的绝缘层充分固化(如图12所示)。然后补刷
高阻防晕漆(如图13所示)。绝缘处理完后,测量定子绕组绝缘电阻的极化指数为
.44,B相4.92,C相4.79,三相极化指数都合格(大于2);泄漏电流三相平衡;交流耐压试验顺利通过。
[ImageCaption: 图10 端部绝缘高阻段受损状况]
[ImageCaption: 图11 受损线棒清理后的表面]
[ImageCaption: 图12 修补后绝缘固化好的状态]
5 结论
目前机组容量更大,定子绕组下线采用了许多新的工艺及材料,下线质量控制工作比以前更繁琐和艰巨,下线质量关系到机组的长期使用寿命。机组安装过程中,许多工序工作交叉作业,在其它工序工作时,必须保证不要污染绕组端部表面,及时清除端部表面
半导体杂物及碳化物。在线棒下线过程中出现了机组内的线棒主绝缘受损的情况下,最适宜的方法是更换线棒,在不便于更换线棒的情况下,可以采取措施修复绝缘层与防晕层,但是不要长期使用修复的线棒,建议检修期间及时更换线棒。
[ImageCaption: 图13 补刷的高阻漆干燥后的状态]
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