现场拆装TBB-1000-2Y3型发电机转子护环用感应加热电源的设计与应用

王声学



现场拆装TBB-1000-2Y3型发电机转子护环用感应加热电源的设计与应用

王声学

（中核集团江苏核电有限公司，江苏 连云港 222042）

某核电站一期工程汽轮发电机为圣彼得堡电力工厂生产的TBB-1000-2Y3型隐极式同步发电机。该型号发电机转子自2007年投入商运以来，出现绝缘问题较多。文中对转子绕组绝缘缺陷处理的前期准备，即从护环的拆装方法、电源的选取设计等入手进行了介绍。设计了一种全新单相全绝缘变压器解决了核电站现场无拆装护环用非标电源的技术难题，同时总结了感应加热法的经验，供相关人员参考。

隐极式同步发电机；转子；护环；感应加热法

0 前言

中核集团某核电站一期工程汽轮发电机为圣彼得堡电力工厂生产的TBB-1000-2Y3型俄供隐极式同步发电机，主要参数见表1。该型号发电机转子自该核电站2007年投入商运以来，一直存在绝缘波动现象，出现绝缘问题较多，运行中最低绝缘电阻仅为0.509MΩ，接近制造厂允许正常值0.5MΩ的标准要求[1,2]。甚至在T104大修期间，出现了转子绕组1000V交流耐压试验未通过的现象。因此，当转子绕组出现绝缘缺陷时，就需要拆除护环并进行检修处理。

表1 某核电站一期工程发电机参数

1 拆装转子护环的加热方法

转子护环是采用热套的方法安装到转子上的，所以拆装护环时也需要采用对护环加热的方法。发电机护环拆装加热的方法主要有明火加热法、电热丝加热法和感应加热法[1]。

明火加热法是采用乙炔火把的形式对护环进行加热。对操作人员技能要求较高，需要保证加热均匀。对于大型机组，由于护环较厚，同时表面积也较大，很难做到表面加热均匀，且明火加热法对护环存在较大的损伤风险，因此该方法不适用于大型机组。

电热丝加热法是采用在护环表面覆盖电热丝的方法进行加热。该加热法同样是在护环表面进行加热，采用热传导的原理将热量传递到护环内部，因此对于大型机组也存在护环表面温度已经很高，而内部温度却达不到要求的问题。

感应加热法利用的是导体内涡流损耗发热的原理，即在护环表面缠绕一组钢性或挠性感应线圈[3]，当线圈中通入交变电流时，会产生交变的电磁场。交变的电磁场会在护环上产生感应电动势，从而产生涡流损耗，护环温度逐渐升高。该法加热均匀，对护环的损伤较小。

由上述分析可知，明火加热法和电热丝加热法均不适用于TBB-1000-2Y3型发电机转子护环的加热拆装。对于感应加热法，钢性加热线圈可以避免缠绕线圈过程，适用于经常性的拆装护环场合，因此在电机制造厂应用较多；对于电厂，则挠性加热线圈较适用[3]。

对于感应加热法，护环中涡流渗透深度的计算公式通常用式（1）表示[4]：

式中：——常数，为5.033；

——频率，Hz；

μ——护环的相对磁导率。

TBB-1000-2Y3型机组转子护环参数见表2。将参数代入式（1）计算可得，感应涡流在护环中渗透的深度为56.78～63.66mm，小于护环厚度95.65mm。可见感应线圈产生的涡流损耗主要集中在护环外表面至约2/3位置，不会对转子端部绕组产生影响。因此，感应加热法适用于TBB-1000-2Y3型机组转子护环的加热。

表2 TBB-1000-2Y3型发电机转子护环参数

2 护环用加热电源的选择与设计

2.1 加热电源方案的选择

表3为厂家提供的发电机转子护环拆装参数要求。根据厂家要求，护环的拆装时间要求为40~50min，若采用感应加热法拆装发电机转子护环则需要电压125V左右，容量不小于160kVA的大容量电源，但是电站现场汽轮发电机厂房无满足此条件的检修电源。

表3 TBB-1000-2Y3型发电机转子护环拆装参数要求

核电站厂用电系统有6kV和0.4kV两个电压等级，6kV母线电压一般达到6.3kV。经过对现场电源的筛选，能够满足容量需求，且方便使用的只有从6kV正常段（BBA/BBB/BBC/BBD）备用柜取用。因此，可通过变压器将可靠段6.3kV电压降低使用。

由于拆装护环工期紧，前期通过改造一台10kV箱变作为临时加热电源满足护环的拆装作业[6]。考虑到利用该箱变进行护环拆装存在诸多不便，因此需要设计一台非标变压器以满足处理转子绝缘缺陷的需求。

2.2 非标变压器的设计

依据《电力变压器选用导则》（GB/T 17468-2008）[6]和《干式电力变压器技术参数和要求》（GB/T 10228-2008）[7]规定，对部分技术参数进行了确定[8]。初步设计干式变压器高压侧额定电压为6.3kV，高压侧分接范围为±2×2.5%，短路阻抗k%为4%，频率50Hz。

在箱变改造方案护环加热过程中，当线圈缠绕25匝，施加电压为125～135V之间时，无论是拆卸还是回装，护环加热效果较好，此时功率因数在0.5～0.6之间，总功率最高时接近190kVA[5]。则可以据此为参照来设计该非标变压器，考虑留有裕度，并依据标准GB1094.1-1996《电力变压器》[9](现已由GB 1094.1-2013[10]代替)第1部分总则规定的额定容量值R10系列，容量设计为250kVA。标准GB/T 10228-2008规定该容量变压器负载损耗k为3250W[7]。

取变压器二次侧额定电压为130V，则变压器归算到二次侧漏抗为[11]：

变压器二次侧电流为：

变压器二次侧短路电阻为：

由于感应加热线圈为感性负载，电流滞后电压，功率因数在0.5～0.6之间。取功率因数为0.55，则=56.6°。变压器一次侧和二次侧都有漏阻抗。当负载电流通过时必然会在这些漏阻抗上产生压降，利用T、k、k结果，以拆装护环时工作电流1350A计算，则变化率为[12-13]：

△%=2.8% （5）

变压器二次侧压降为：

1=130V×2.8%=3.6V （6）

考虑到变压器自身压降3~4V，可将二次绕组额定电压设计为133V，即额定电压设计为6.3kV/133V±2×2.5%。当工作电流取1200～1500A中间值1350A时，修改参数后的变压器二次侧压降为3.8V。

因此，依据上述计算的参数及干式电力变压器标准，设计组合式变电站系统图如图1所示[14]。

图1 组合式变电站系统图

（H-高压侧；TM-变压器；L-低压侧；TA-电流互感器；PA-电流表；PV-电压表；SQ-带电指示器；QL-高压真空负荷开关；QF-低压断路器）

考虑到6kV系统停送电需要由运行人员操作，不便于变压器在护环加热前进行控制回路的调试，因此在设计时考虑到电站现场实际情况，采用汽轮机厂房UMA16m 220V交流电源作为变电站控制回路电源，原理图如图2所示。

依据相关标准[15,16]对变压器进行出厂试验和交接验收试验，试验实际测定短路阻抗为4.4%，负载总损耗3290W。忽略电压变比偏差，功率因数依然取0.55，工作电流取1350A，则二次侧压降为4.2V。

已利用该变电站完成多次护环的拆装工作。表4中数据为2016年1号机组T109大修护环拆装记录数据，变压器工作在主分接（3分接，电压比误差+0.2%）。

图2 变压器控制回路电源进线原理图

表4 2016年1号机组发电机大修护环拆装加热数据

由表4中数据可以看出，实际压降与计算压降基本吻合，加热时间和电流均满足护环厂家技术文件要求。护环拆装最重要的参数是在规定的40～50min内达到拆装温度要求。时间过短，会导致护环外层温度急剧变化，造成内外温度不均，无法拆装护环；时间过长，会导致转子本体端部受热膨胀，亦无法完成护环拆装。对加热时间的控制主要通过调节电压、电流及线圈匝数来实现。

3 结束语

感应加热电源是利用改造的10kV箱变多次拆换护环作业的基础上总结与设计的。利用设计的加热电源已完成十余次护环拆装作业。通过对发电机转子护环的多次拆装，总结了以下经验，可供相关电厂维修技术人员进行现场拆装护环时参考。

（1）对于TBB-1000-2Y3型发电机，在实际加热时，电压控制在130V左右（125～135V）加热效果较好。

（2）感应加热电缆缠绕在护环两侧的线匝要紧密，中间线匝之间保留20～25 mm的间隙。具体缠绕匝数可根据电流大小进行适量调节，一般缠绕25匝时效果较好，缠绕一层后多出的匝数应缠绕在护环靠转子本体侧，如图3所示。

图3 感应加热电缆缠绕图

（3）护环与电缆间缠绕5mm厚隔热石棉，在石棉与护环间埋设测温用探头，测温仪器量程不低于400℃。加热过程中每隔5min记录一次加热电压、电流和护环温度，同时要不定时地用红外热像仪进行温度监测，直至达到护环拆装所需条件，并开始护环拆装作业为止。

（4）感应加热用电缆为通水电缆，保证冷却水压在0.147～0.196MPa即可。在加热前，要先通入冷却水，且在加热过程中冷却水须连续，加热完成后要继续通入冷却水，直至电缆降至正常温度。

[1] 王声学, 邹晓, 申雁鹏,等. TBB-1000型发电机转子绕组绝缘缺陷的处理与分析[J]. 大电机技术, 2013(4):17-20.

[2] 马建明, 佟小明, 刘奎,等. TBB-100-2Y3型发电机转子绝缘低缺陷处理及大修管理[J]. 电工技术, 2014(7):47-48,60.

[3] 杨明, 于长胜, 杨占廷,等. 俄罗斯TBφ-120-2和TBM-160-2系列汽轮发电机拆装转子护环工艺[J]. 吉林电力, 2008, 36(2):29-32.

[4] 杨晓斌, 杨军. 感应加热法在发电机转子检修中的应用[J]. 黑龙江电力, 2000, 22(4):49-52.

[5] 王声学. 现场拆装大型发电机转子护环用感应加热电源的设计与应用[C]//第十二届核电维修领域经验交流会论文集, 2016, 08:217-225.

[6] GB/T 17468-2008, 电力变压器选用导则[S].

[7] GB/T 10228-2008, 干式电力变压器技术参数和要求[S].

[8] 尹克宁. 变压器设计原理[M]. 北京:中国电力出版社, 2003:10-11.

[9] GB 1094.1-1996, 电力变压器[S].

[10] GB 1094.1-2013, 电力变压器[S].

[11] 韩祯祥. 电力系统分析[M]. 杭州:浙江大学出版社, 1997:85-89.

[12] 辜承林, 陈乔夫, 熊永前. 电机学[M]. 武汉:华中科技大学出版社, 2005:139-140.

[13] 李发海, 陈汤铭, 朱东起,等. 电机学[M]. 北京:科学出版社, 1991:36-38.

[14] 王声学, 王略, 邹晓,等. 一种发电机转子护环感应加热箱式变压器[P]. 中国实用新型专利:ZL201620279488.0, 2016-11-23.

[15] JB/T 501-2006, 电力变压器试验导则[S].

[16] GB50150-2006, 电气装置安装工程电气设备交接试验标准[S].

DesignandApplication for Induction Heating Power Source Used to Remove and Reinstall Rotor Retaining Ring of Generator TBB-1000-2Y3 on Site

WANG Shengxue

(CNNC Jiangsu Nuclear Power Corporation, Lianyungang 222042, China)

The non-salient pole synchronous generators of first-stage project of a Nuclear Power Station is type TBB-1000-2Y3 made by Russia. This type rotor winding occurs insulation defects many times from 2007. This paper gives an introduction about preparation, which is the method of removing and reinstalling the retaining ring, and selection and design for the power source. A brand new single phase insulated transformer is designed, which solves the problem of removing and reinstalling the rings on Nuclear Power Station site without non-standard power source. And then, experiences about induction heating are given that can be applied as references for relative engineers.

non-salient pole synchronous generator; rotor; retaining ring; induction heating method

TM303.3

A

1000-3983(2018)03-0020-04

2017-04-11

王声学（1981-），2008年毕业于西南交通大学电力系统及其自动化专业，工学硕士，现从事核电厂电气调试及检修管理工作，高级工程师。