英布鲁水轮发电机阻尼条熔断问题分析与处理

王艳武

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨　150040)

英布鲁水轮发电机阻尼条熔断问题分析与处理

王艳武

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150040)

摘要：英布鲁水轮发电机额定容量为35.3 MVA，额定功率为30 MW，额定转速107.1 r/min，是哈尔滨电机厂有限责任公司设计和制造的水轮发电机，设计采用全空冷冷却方式。2013年8月，电厂工作人员在常规停机检查时，发现有一根阻尼条熔断，文章重点介绍该发电机阻尼条熔断问题的分析与处理。

关键词：水轮发电机；阻尼条；熔断

1问题概述

英布鲁水电站装有4台单机容量为30 MW的发电机组。2013年8月，英布鲁电厂工作人员在机组常规停机检查时,发现3号发电机转子某个磁极极靴表面存在贴附物。随后工地传回贴附物照片，最终确认为铜质阻尼条熔断物贴附在磁极极靴表面。9月14日，英布鲁电厂工作人员将有问题的3号机组已损坏的磁极拔了出来(如图1)。从照片可以看出，有问题的阻尼条为背风面第2个(如图2)。经初步测量，磁极铁心阻尼槽口沿轴向约545 mm长度严重损坏，该部位阻尼槽口由原理论设计的3 mm最大扩至15 mm，内部部分阻尼条已经断裂取出。磁极铁心该位置已严重破损，磁极铁心阻尼槽口已经裂开。

图1　阻尼条熔断的磁极照片

图2　熔断的阻尼条在磁极的位置

2问题分析

从现有情况分析，已损坏的阻尼条有部分出现熔化现象并挤出阻尼槽口，并且铁心阻尼槽口已经豁开到15 mm。能够发生此现象为该部位过热导致阻尼条和磁极铁心槽口熔化并突出铁心表面。

首先我们想到的是阻尼条材质是否有问题，于是将已损坏的部分阻尼条残块带回做材质化学成分分析。分析结果显示，阻尼条残块符合相关标准的要求。所以排除了材质问题导致该问题的可能性。

然后要看阻尼条温度是否满足标准要求。为此对阻尼绕组温度进行了更为详尽的计算，其中包括电机稳态负序电流最大限制应为其额定电流的8%时的工况、电机外部两相短路工况及电机外部单相对地短路工况，具体计算如下：

阻尼条编号顺序：俯视顺时针旋转时，沿旋转方向磁极的第一根阻尼条编号为1，依次顺延。

1) 稳态负序温升计算

根据IEC标准规定的电机稳态负序电流最大限制应为其额定电流的8%，据此计算的每极阻尼条温升结果(见表1)。

表1　稳态负序下阻尼条温升

2) 电机外部两相短路温升计算

根据IEC标准规定的短路运行时间，计算每极阻尼条温升结果(见表2)。

表2　瞬态负序下阻尼条温升

3) 电机外部单相对地短路温升计算

根据IEC标准规定的短路运行时间，计算每极阻尼条温升结果(见表3)。

表3　瞬态负序下阻尼条温升

标准JB/T 8445—1996《三相同步发电机负序电流承受能力试验方法》中规定了在电机长期和短时运行时，紫铜阻尼条允许的最高温度分别为130℃(长期运行)和220℃(短期运行)。从上述计算得到阻尼绕组最高温度为95.1℃，满足标准要求。

此外，我们还进行了阻尼条在铁心内振动计算。阻尼条与磁极铁心之间理论间隙为0.25 mm，在离心力和电磁力的作用下，阻尼条可能会在铁心内产生高频振动，电磁力为交变力，当阻尼条离心力与电磁力同向时，阻尼条会紧贴在铁心表面；当阻尼条离心力与电磁力反向时，如果离心力大于电磁力，阻尼条仍会紧贴在铁心表面。如果电磁力远大于离心力，阻尼条会在电磁力的拉扯下脱离铁心表面，从而可能会产生局部放电现象，导致阻尼条过热。为此，我们对阻尼条的电磁力和离心力进行了计算。

1) 阻尼条离心力的计算

阻尼条离心力计算公式为：

对于接受大手术的高危患者，目标导向液体治疗仍然是推荐的液体管理方案。一项荟萃分析显示，目标导向液体治疗可以减少术后并发症发生率和高危患者术后死亡率[37]。在另一项荟萃分析中，目标导向液体治疗减少了高危患者心血管并发症发生率和心律失常发生率[38]。需要注意的是不同研究所采用的“目标”并不完全一致，目前也没有公认的最好目标，临床实践中仍需个体化处理。

F=mω2r

式中：m为阻尼条质量(kg)；ω为转子机械角速度(rad/s)；r为阻尼条旋转半径(m)。

根据公式计算得到每根阻尼条所受离心力为647 N。

2) 额定工况下阻尼条电磁力的计算

额定工况下，电机转子一个极内的阻尼条电磁力计算结果如表4所示。表中一个极内的阻尼条编号顺序为：从背风侧开始，到迎风测结束。

表4　额定工况时，阻尼条所受的电磁力

3) 负序电流占额定电流的6%工况下阻尼条电磁力的计算

根据用户日志，该电机于2013年8月18日凌晨1点出现了不对称运行工况，此时电枢绕组中的负序电流达到额定电流的6%。计算电机此时阻尼条所受电磁力的结果如表5所示。

表5　负序电流达到额定电流的6%时，阻尼条所受的电磁力

4) 负序电流占额定电流的8%工况下阻尼条电磁力的计算

根据IEC标准，该工况为发电机稳定运行时所能允许承受的最大不对称运行工况。电机阻尼条电磁力的计算结果如表6所示。

表6　负序电流达到额定电流的8%时，阻尼条所受的电磁力

以上各工况计算的阻尼条的电磁力均小于其额定转速时受到的离心力，因此无论电磁力与离心力是否反向，阻尼条均应靠紧在铁心的阻尼槽口侧。

为充分验证上述电磁力与离心力的匹配理论，我们对2台整数槽的机组进行了计算分析，包括大顶子山、江口这2台机组(见表7)。

表7　承载负序电流为额定电流的12%时，各电站水轮发电机阻尼条最大受力情况

通过对比可以发现，大顶子山电站、江口电站及英布鲁电站的水轮发电机阻尼条所受电磁力幅值都与离心力比较接近。到目前为止，大顶子山、江口这两个电站已安全运行多年。由此可知，单纯在标准允许的负序电流情况下，电磁力不足以损坏阻尼条或引起阻尼条振动。

但也可能存在其他情况导致阻尼条在铁心内振动。发电机正常运行时，阻尼条虽承受交变的电磁力，但在离心力的作用下阻尼条仍紧贴在转子铁心阻尼槽口侧，不会发生强烈振动。但发电机突然切断电网时，电枢绕组电流由额定值突变为零，电枢反应磁场消失。根据法拉第电磁感应定律，此时在阻尼绕组中会产生较大的感应电流，以抵抗电机内磁场的跃变。阻尼条电流的增加会导致电磁力的增大，如果阻尼条所受电磁力突然增大，并远超过离心力的大小时，那么阻尼条就会产生强烈的振动。根据以往对发电机突然短路瞬态响应的计算经验，阻尼绕组感应电流的最大值及其所受电磁力的最大值一般都出现在故障时刻后的一到两个电磁周期内(50 Hz工频的一个电磁周期为20 ms)，然后衰减，并逐渐趋于稳定。突然切断电网对发电机阻尼条的冲击虽然没有突然短路对阻尼条的冲击大，但两者的瞬态响应都是受发电机超瞬变电抗的影响，因此在突然切断电网的过程中，阻尼条所受的电磁力也是在断电后的一到两个电磁周期内出现最大幅值，并开始衰减，逐渐减小到空载运行工况下的阻尼条稳态受力幅值。这个过程中，阻尼条电流产生的损耗并不会太大，温升也不会太高。但由于交变电磁力大幅增加，使阻尼条产生较强的振动。另外，由于阻尼条和转子铁心存在电位差，阻尼条与转子铁心反复出现放电现象，形成电腐蚀。一旦阻尼条出现放电后，若再次经历突然断网的情况，则放电现象会加剧，并扩大电腐蚀。长此以往，必然会对阻尼条造成不可修复的损害。

根据电站的实际运行情况，存在发电机频繁与电网断开现象。也就是说，发电机阻尼绕组频繁经历上述过程，阻尼条也反复受到电磁力冲击及电腐蚀而可能发生损坏。

3结语

能够导致阻尼绕组温度升高的原因还包括以下几个方面：

1) 发电机长时间工作在负载不对称的工况；

2) 由于故障而导致发电机出现不对称运行，如电机发生不对称突然短路；

3) 受系统的影响使电机转子转速与电枢绕组磁场转速之间出现转差，如电机的甩负荷运行；

4) 安装原因也能导致阻尼绕组温度升高。如果实际安装气隙比理论气隙小，导致气隙谐波磁场强度变大，阻尼条温升将增大。并且安装过程中，问题磁极的磁极键打的不紧，可能会导致运行过程中磁极向外凸出，导致该磁极处实际气隙比理论气息小，气隙谐波磁场强度变大，阻尼条温升也将增大。

所以，英布鲁水轮发电机3号发生的磁极阻尼条熔断现象，可能为各种因素综合原因导致的。分析3号机可能发生过某种极端恶劣工况，再加上安装等问题，导致出现该问题。

4问题处理

由于可能为多种原因导致的该问题的出现，所以在现有运行条件下，只能采取适当的方法进行处理。可以对每个磁极铁心沿轴向在阻尼条位置打多处洋冲，提高阻尼条和磁极铁心间的固定，减少阻尼条振动。或用胶将阻尼条和磁极铁心之间的间隙填满，目的是减少阻尼条与铁心的间隙，降低阻尼条的振动振幅，防止阻尼条与铁心的局部放电，从而避免阻尼条和磁极铁心局部过热。另外，由于英布鲁电站的电网非常不稳定，所以不排除机组将来不会出现类似问题，为保证机组的安全稳定运行，对几台机组进行观察运行，每隔一段时间检查磁极极靴表面，特别是槽口位置，看是否存在过热导致的铁心表面颜色变化，如有变化，先确认是否为油污或灰尘沉积，如果是过热导致的铁心表面颜色变化，立即停机作进一步的检查。

王艳武，男，1980年生，工程师，长期从事水轮发电机的设计工作。

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