内冷水质问题导致发电机定子线棒故障分析和预防措施

王子君

（神华国神集团公司技术研究院，陕西 西安 7 1 0 0 6 5）

内冷水质问题导致发电机定子线棒故障分析和预防措施

王子君

（神华国神集团公司技术研究院，陕西 西安 7 1 0 0 6 5）

大型汽轮发电机定子线棒堵塞是水内冷汽轮发电机常见的故障之一,定子线棒在运行中发生堵塞会出现层间温差或出水温差超过规程规定值。如果发电机定子线棒堵塞缺陷不能及时排除，将严重影响发电机组安全运行，甚至会发生发电机烧损的严重后果。根据大型汽轮发电机定子线棒的布置、结构、联接方式以及进出水的情况，结合两个发电厂由于内冷水质控制不良导致汽轮发电机定子线棒堵塞故障案例分析，进一步说明了运行中对定子内冷水质控制的重要性，提出了预防定子线棒堵塞措施及定期对定子线棒进行清洁和冲洗的必要性。

内冷水质；定子线棒堵塞；故障分析；预防措施

发电机作为发电厂最终功能转换的平台，随着机组容量的不断增大，功能转换时放热效应也就相应增加。为了保证机组安全经济运行，发电机的冷却就变得格外重要，为了满足冷却要求，一般大型发电机都使用定子水冷却内冷的冷却方式。在成功解决冷却问题的同时，又出现了新的问题，主要是在内冷水系统运行过程中如果对内冷水质控制不良，会发生对空心导线的腐蚀和腐蚀产物析出堵塞空心导线的问题，如不及时处理，将引起对应线圈绕组过热而烧坏发电机，引发重大设备事故。因此，对运行中发电机定子线棒堵塞原因进行分析并采取相应的预防措施，对发电机的安全运行、经济运行具有重大意义。

1 发电机定子线棒布置、结构、联接方式以及进出水的布置情况

大型汽轮发电机一般定子绕组由嵌入铁芯槽内的条形绝缘线棒组成，绕组端部为篮式结构，并且由连接线连接成规定的相带组。采用连续式F级环氧粉云母绝缘系统，表面有防晕处理措施。水内冷绕组的导体既是导电回路又是通水回路，每个线棒分成若干组，每组内含有一根空心铜管和数根实心铜线，空心铜管内通过冷却水带走线棒产生的热量。线棒由绝缘空心股线和实心股线混合编织换位组合而成。定子线棒是通过空心股线中的水介质来冷却的。冷却水流入励端的汇流管，从励端的汇流管和绝缘引水管并通过线棒端头的水接头进入到定子线棒。每一根定子线棒通过一根独立的软管与汇流管相连。冷却水流出定子线棒后，再经过汽端的绝缘引水管和汇流管排入外部水系统。汇流管母管是直接接地的，从线圈到汇流管母管间的连接采用单个加强型绝缘管，这种绝缘管设计上能够承受发电机的运行电压，保证了线圈的对地绝缘。

2 内冷水质问题导致发电机定子线棒堵塞案例及分析

2.1 事故案例一

（1）故障情况简述。某发电厂汽轮发电机型号为QF S N-6 0 0-2-2 2 B、发电机定子输出电压2 2 k V、功率因数c o sφ=0.9、水、氢、氢冷却方式、F级绝缘。该发电机于2 0 0 4年1 2月并网发电，2 0 1 5年6月机组检修启动后，定子冷却水进水压力在设定0.2 2 MP a不变的情况下，进水流量由1 0 1 t/h逐步下降到9 5 t/h，压力调阀开度由2 8%逐步下降到2 5%。

（2）故障分析及处理情况。上述发电机定子冷却水进水流量变化数据表明定子冷却水进水压力调阀后管道压力在逐步升高，管道的通流面积在减小，判定发电机定子线棒内表面结垢。

为了彻底解决该发电机定子线棒内表面结垢问题，保证该机组长期的安全稳定运行，该电厂委托某专业清洗机构对该发电机内冷水系统进行了清洗工作，酸洗工作结束后铜离子浓度为2 7.2 mg/L，即洗掉大约1 0 2克的氧化铜腐蚀沉结物。机组启动后通过定子冷却水进水压力和流量变化来看，清洗后定子冷却水各项参数达到该机组投产时的技术指标，定子线棒入口内冷水压控制在0.2 2 MP a时，定子内冷水流量从9 6 t/h上升到1 0 1.7 t/h。

通过对清洗前和清洗后的压力流量参数进行比较，得知流量和压力曲线与投产初期吻合，清洗达到了预期效果。根据处理洗掉大约1 0 2克的氧化铜腐蚀沉结物及日常运行情况分析可以得知该机组空心导线堵塞的原因主要有：（1）内冷水p H太低使铜绕组长期处于腐蚀区，造成了不断的电化学腐蚀，溶解的铜又在温度较高的部位发生过饱和析出。

（2）停机时保养不到位使二氧化碳和氧气进入系统发生腐蚀。

2.2 事故案例二

（1）故障情况简述。某发电厂汽轮发电机型号为QF S N-3 0 0-2-2 0 B、发电机定子输出电压2 0 k V、功率因数c o sφ=0.8 5、水、氢、氢冷却方式、F级绝缘。1号汽轮发电机事故前有功负荷为2 9 5 MW，无功负荷为1 5 0 Mv a r。2 0 0 8年8月2 7日2 0时4 6分，运行中发电机“定子接地保护”动作，引起发电机跳闸停机。

（2）故障分析及处理情况。发电机停机解列后该发电厂组织检修人员对发电机进行解体检查，解体后发现发电机定子线棒3号槽上层线棒与5 4号槽下层线棒的端部水路的流通截面严重堵塞，致使线棒绝缘损坏，而3号槽上层线棒与5 4号槽下层线棒同一冷却水路，在5 4号槽下层线棒直线端部处将绝缘击穿，造成定子线棒接地，既而定子接地保护动作，发电机跳闸停机。

事故后电厂组织电科院专家及本厂技术人员对事故进行分析，分析结果认为，造成定子线棒水路堵塞的主要原因是由于定子内冷水系统及补水系统密封装置不完善，发电机内冷水水质受到了空气中二氧化碳的污染，导致内冷水p H值偏离规程规定值，降到5.9～6.5，使定子线棒空心铜导线产生腐蚀，含铜量经常在2 9 0～5 2 0 u g/L，最高达到2 6 8 0 u g/L。由于内冷水水质长期不合格，腐蚀产物铜氧化物浓度过高，在一定温度条件下，铜氧化物便会从水中析出，沉积在3号槽上层线棒与5 4号槽下层线棒线棒端部的流通截面上，造成定子线棒的水路堵塞。在运行中两线棒过热发生膨胀，致使应力集中外绝缘膨胀，造成定子线棒发生绝缘损坏，导致发电机在运行中发生定子接地故障而跳闸停机。

3 故障暴露的问题及预防措施

3.1 两起故障暴露出的问题

（1）基建期间对定子内冷水系统安装及补水系统密封装置要求不严格，发电机运行后容易发生水质污染，导致内冷水p H值不符合规程要求，而使铜导线容易产生腐蚀。

（2）运行中对定子内冷水质控制重视程度不够，内冷水长期偏离规程规定值，铜绕组长期处于腐蚀区，溶解的铜在温度较高的部位发生过饱和析出，沉积在线棒端部的流通截面上，容易造成定子线棒水路堵塞。

（3）运行中不及时对定子内冷水水流量、压力、线棒温差监视和对数据进行比较分析，而在机组大修期间忽视相关流量试验，造成了内冷水系统水路堵塞的隐蔽危险。

3.2 预防措施

（1）多年来的运行和检修实践证明：杂质、异物进入定子冷却水中是造成定子冷却水内冷系统水路堵塞的主要原因之一。防止发电机定子冷却水内冷系统水路堵塞应引起发电厂在安装与运行、检修等过程中的高度重视。

（2）优化发电机定子内冷水系统设计选型，从源头上防止水质污染。定子内冷水系统应采用独立得闭式循环水系统，应设置内冷水加热装置和温度自动控制装置，同时应安装定子内冷水反冲洗系统。

（3）注意内冷水系统中的金属部件及密封圈材料的使用，防止定子线棒物理性堵塞。内冷水系统中所有连接管道、阀门、法兰、弯头、水泵和水箱、冷却器等均应使用不锈钢耐腐蚀材质，内冷水系统管道、阀门密封圈宜全部更换为聚四乙烯垫圈，并1～2个大修周期内定期进行更换。

（4）完善内冷水系统的辅助设施及检测装置，进一步提高对内冷水系统的有效监控。如内冷水系统中应有断水保护在线监测装置、漏水检测装置及将漏入机内的水排除的措施；内冷水系统应配置进（出）水压力、流量、出水温度测量装置和直接测量进、出水压差的测量装置。

（5）严格对运行中内冷水质进行控制。①水内冷发电机的内冷水质应按照D L/T 8 0 1-2 0 1 0《大型发电机内冷却水质及系统技术要求》进行优化控制，根据内冷水系统的不同运行条件，内冷水水质应满足D L/T 8 0 1-2 0 1 0和制造厂的要求。②运行中对内冷水质进行化学监督和水质指标跟踪分析是保证发电机长期安全稳定运行的关键一环，对于一些重要技术问题的认识需要引起相关技术管理人员的高度重视：首先，内冷水质的酸碱度、含氧量、含铜量等指标对水内冷发电机的影响是缓慢而渐进的，不像电导率对发电机电气性能的影响那样明显。但是如果这些指标长期超标将会给发电机定子内冷系统水路堵塞留下事故隐患，故在机组运行中对内冷水质数据超标问题应高度重视。其次，随着内冷水系统的不断改进和水处理技术的不断进步，水的标准也在不断更新，发电厂技术人员应了解和掌握最新标准，按照最新标准对内冷水质进行控制。如果现有的水处理设备不能满足新标准要求，对内冷水水质处理系统进行设备改造是很有必要的。最后，关于内冷水质酸碱度、含氧量、含铜量指标的变化应引起技术人员的注意。比如对于发电机内冷水的酸碱度(p H值），原来的标准都规定p H值为7～9、铜离子含量≤2 0 μg/L。但目前业内专家都公认为内冷水p H值最佳范围为8～9之间，此时不论水中溶氧含量多少，都可以保证铜离子含量≤2 0 μg/L；对于内冷水铜离子含量现行有效的标准D L/T 0 3 9-2 0 0 7《发电机内冷水处理导则》规定内冷水铜离子含量≤4 0 μg/L，而G B/T 7 0 6 4-2 0 0 8《隐极同步发电机技术要求》和D L/T 8 0 1-2 0 1 0《大型发电机内冷却水质及系统技术要求》规定内冷水铜离子含量≤2 0 μg/L，但是D L/T 0 3 9-2 0 0 7规定取用的是D L/T 8 0 1-2 0 0 2版规定，而D L/T 8 0 1-2 0 0 2已经被D L/T 8 0 1-2 0 1 0代替了；对于控制溶氧量问题，目前很多发电厂并没有开展此项测量，是否需要开展该参数的测量工作，与水系统控制的p H值的能力有关。目前新建机组的内冷水系统控制设备，可以保证水质p H值控制范围在8～9之间，不再考虑测量溶氧量。从现场看目前仍有很多发电厂内冷水水质控制范围达不到D L/T 8 0 1-2 0 1 0规定要求，p H值控制在8以下偏多，同时也不开展溶氧量检测工作，而实际溶氧量情况多数是既非富氧也非贫氧状态，这样的内冷水就是不达标。

（6）严格对运行中定子线棒温度进行监视。①严格按照D L/T 1 1 6 4-2 0 1 2《汽轮发电机运行导则》要求，加强监视发电机各部位温度，当发电机（绕组、铁芯、冷却介质）的温度、温升、温差与正常值有较大的偏差时，应立即分析、查找原因。②定子线棒出水温度高于8 0℃时，应检查、综合分析和反冲洗；达到8 5℃时，应立即停机处理；定子线棒单路出水接头间温差达8℃时，应及时分析并安排反冲洗等处理措施。反冲洗无效时，或出水接头间温差达1 2℃时，应立即停机处理。定子槽部的中断，线棒层间各检温计测量值间的温差达8℃时，应作综合分析，或作反冲洗处理观察。线棒层间各检温计测量值间的温差达时1 4℃时，应立即停机处理。

（7）定期对发电机定子线棒进行水冲洗。开机运行前应使用除盐水作运行流向的水冲洗，直至排水清澈，电导率指标达到标准要求；正常运行期间的停机反冲洗周期，应严格按照制造厂要求进行。相同流量下的进水压力（或进、出水压力差）比正常值高出1 0%，应对定子冷却水回路进行反冲洗；发电机停止运行时，内冷水系统一般仍应继续正常运行。如果内冷水系统也因需要停止运行，或进行正反向冲洗操作时，应尽量缩短水系统的停用时间。

（8）必要时对发电机定子线棒进行化学清洗。如果正如上述发电机运行中一旦发生定子冷却水进水流量或压力变化很大，而排除表计等没有问题，电厂应结合发电机日常运行情况，综合分析确认发电机定子线棒内表面结垢所致，并经过反复冲洗等一般处理措施后无明显效果时，应由化学清洗的专业队伍对内冷却水系统组织化学清洗。

3.3 其它措施

为了确保发电机正常运行时定子线棒的冷却效果，防止个别水路发生堵塞，使绕组绝缘局部过热，发电机大修时应对内冷水定子线棒分路做流量试验，以便查出堵塞的分路进行处理。而如果个别支路堵塞，则需进行热水流试验。

4 结语

实践证明，防止发电机因内冷水质控制不良而导致定子线棒堵塞的主要措施是：基建及机组大修期间加强对定子内冷水系统设计、安装、工艺管理，运行中严格执行新的内冷水水质标准及对定子线棒温度的监视，坚持定期对发电机定子线棒实施水冲洗，必要时对发电机定子线棒进行清洗。只要严格规范相关措施，由于内冷水质问题而导致发电机定子线棒故障是完全可以避免的。

[1]国能安全[2 0 1 4]1 6 1号.防止电力生产事故的二十五项重点要求.

[2]D L/T 8 0 1-2 0 1 0.大型发电机内冷却水质及系统技术要求[M].中国电力出版社，2 0 1 1.0 1.0 9.

[3]上海发电设备成套设计研究院、中国华电工程有限公司组编.大型火电设备手册汽轮发电机[M].中国电力出版社，第一版，2 0 0 9.9.

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