300MW汽轮发电机定子绝缘故障原因分析及现场处理措施

引言

张家口热电厂1号发电机为哈尔滨电机厂生产的0FsN-300-2型汽轮发电机,额定电压20kV,额定电流10190A,额定功率300MW,额定转速3000r/min,频率50Hz,冷却方式为水-氢-氢,F级绝缘,生产日期为2008年12月,于2009年12月投产。定子铁芯由高导磁、低比损耗的无取向冷扎硅钢板冲制的扇形片叠压而成,每张冲片的两面均涂绝缘漆处理过。铁芯通过18根定位筋固定在机座上,两端通过无磁性压指及压圈紧固成整体,以确保压紧铁芯。铁芯沿轴向分成64段,每段铁芯间形成约8mm的径向通风沟。定子端部边段铁芯长约40mm,且在齿部呈阶梯型,以增加漏磁阻,避免轴向磁通在齿端过于集中。同时在两端压圈外侧用特制的铜屏蔽板覆盖,以减小端部铁芯的损耗和发热量,满足发电机进相运行要求。

1故障排查

2017年12月27日,1号发电机运行中发变组保护A柜(南瑞继保RCs-985A）、B柜(国电南自DGT-801B）定子接地保护同时动作跳闸,厂用电源切换至启备变,1号机组解列停机。从动作数据看,相电压UA=37.87V,明显低于正常值57.74V,同时保护A、B屏发电机中性点电压UN=36.15V均大于定子接地灵敏段定值25V,因此初步判断故障相为A相。

(1）立即组织对发电机机端PT进行直阻、绝缘、空载电流、交流耐压试验检查,未发现异常。

(2）拆开发电机出口及中性点软连接,使用5000V兆欧表对发电机封闭母线、主变低压侧、高厂变高压侧、励磁变一次回路加压进行绝缘试验,绝缘电阻为5000MΩ,排除发电机外部故障。

(3）使用发电机水内冷专用兆欧表对发电机定子绕组加压2500V进行绝缘试验,未发现异常。

(4）使用直流高压发生器(型号ZKZN-60kV/200mA）对发电机定子绕组进行直流耐压及泄漏电流试验,如表1所示,B、C相合格,A相升压至13.5kV时放电,判断为发电机A相故障。

(5）发电机退氢并拆除汽侧、励侧上端盖及内端盖后,对发电机A相进行直流电压冲击试验,发电机汽侧接近12点钟方向有放电现象,如图1所示,判断此处为故障点。

2检查结果

(1）发电机抽转子解体后检查发现,汽侧12点钟方向定子#34和#35槽的汽端边段铁芯存在松动和断齿现象,#34、#35槽铁芯未退槽楔前如图2所示。

表1发电机定子绕组直流耐压及泄漏电流试验

图1试验中发电机汽侧12点钟方向故障点放电

图2#34、#35槽铁芯未退槽楔前

(2）发电机汽侧另有#22、#47、#49、#53槽4处汽端边段铁芯有过热、松动现象,如图3所示。

(3）发电机励侧11点钟方向发现一条引线压板夹件螺栓松动,如图4所示。

(4）拆除故障#35槽上层线棒后检查发现,#35槽上层线棒与汽侧#35槽边段铁芯接触面处绝缘磨损,导致线棒击穿接地,如图5所示。

3原因分析

汽轮发电机定子线圈接地主要原因是由于定子边端铁芯叠片松动所致。发电机运行中定子铁芯承受温度变化的热应力、电磁转矩和双倍频率的椭圆震动。在端部铁芯齿上,由于漏磁的轴向拉力,引起轴向震动。

铁芯震动还会损坏叠片绝缘:铁芯局部过热会使叠片绝缘过早老化:由于其他零件进入气隙,磨坏铁芯内圆,均会引起叠片的片间短路。片间绝缘损坏后,致使端部铁芯的涡流损耗进一步增加,使齿部温升更高,当达到一定程度时,铁芯片间绝缘将全部损坏,最后造成片间烧熔短路,甚至烧坏相邻线棒的绝缘。

有的铁芯在运行一段时间后,铁芯齿部松动,甚至端部铁芯的齿部折断。铁芯震动和齿部折断,碎片在交变电磁力和通风作用下,可能会飞起打坏绝缘或被夹在铁芯齿部与线棒之间上下震动,将定子线棒锯出一道窄槽,最终将线圈绝缘磨损而接地。

一般说来,铁芯损坏和发电机设计,特别是与铁芯制造有关。

4现场处理措施

针对上诉分析,采取以下一些现场处理措施:

（1）更换磨损的#35槽上层线棒。

（2）对#35槽边段铁芯断齿的处理:拆除相邻#34槽上层线棒,经绝缘检测、预防性耐压试验、水管保压试验合格:对断齿处进行打磨、电腐蚀,将冲片翻开插云母片,做一个绝缘"假齿"镶嵌在断齿部位,利用槽楔将其固定,以防脱落。

（3）对#22、#47、#49、#53槽等汽端边段铁芯松动处进行电腐蚀、插云母片处理。边端铁芯铁损试验合格后涂黏结漆。

（4）使用铁芯拉伸专用工具对发电机汽、励两端铁芯定位筋螺母,按照规范进行拉伸处理,液压拉伸工具压力为80MPa。

对铁芯处理结果,用铁损试验进行验证。现场铁损试验使用6kV电源,设计值为磁通密度1.4T,齿最大温升不应超过25℃,齿间最大温差不超过15℃,使用红外热成像仪实时观测铁芯温升,以保证过热点不遗漏,有效防止铁芯过热事故的发生。其中,#35槽边段铁芯处理后,经50min铁损试验,测量最高温度为34.3℃,温升11.3℃,处理合格。在铁损试验过程中发现,#7、#11、#14、#18、#22、#25、#27、#29、#30、#31、#33、#35、#47、#49、#50、#53共16处铁芯超温,经对上述位置铁芯进行插云母片处理后,铁损试验检测无过热现象,然后在铁芯表面喷漆,以便在下次检修时检查铁芯是否发生接触腐蚀现象。发电机穿转子前最后一次铁损试验时间50min,计算铁芯单位重量铁损1.29W/kg,小于哈尔滨电机厂提供的参考值2.39W/kg,测试数据合格。

#35槽边段铁芯处理前后对比如图6所示。

图6#35槽边段铁芯处理前后对比

5结论

（1）对300MW发电机进行铁损试验,磁通密度1.4T,时间45min。现场试验时,励磁线圈端电压为6210v,测量线圈端电压591v,励磁线圈电流248.2A,经计算试验磁通密度实际值为1.244T,这种情况下,增加试验时间同样可以满足要求。

(2）为保障铁损试验的磁通密度,本次试验采用6kv厂用电电源,励磁线圈两端分别接至6kv试验电源开关的A、C两相上,这种接线试验必然在合闸瞬间产生较大的励磁涌流和负序电流,其中励磁涌流可能会达到励磁线圈工作电流的10倍,所以要合理整定6kv试验电源开关的速断及过流保护定值,同时要核算是否对6kv厂用电进线电源产生影响并合理修订相应保护值。

(3）故障处理的每一步结果必须严格按照电业规程相关规定进行试验验证合格,不得漏项、甩项。

(4）注意观察运行中温度变化的影响,采取应对措施。发电机昼夜负荷不均匀,有功负荷、无功负荷变化较大,会导致铁芯温度变化,从而使硅钢片间夹紧力产生松紧变化,长期反复会使定子铁芯周期性热胀冷缩,容易引起铁芯齿部松动,在电磁力作用下产生震动和噪声。

(5）发电机在夜间或节假日经常进相运行,定子端部边段铁芯轴向漏磁通增大,引起边段铁芯温度升高,在电磁力作用下易引起叠片震动,可能导致齿部边缘硅钢片存在折断隐患,运行人员要有效控制发电机,尽量减少进相运行。