秦山CANDU机组发电机引水管绝缘层裂纹故障处理

马 磊

（中核核电运行管理有限公司 秦山三厂，浙江 嘉兴 314300）

秦山CANDU 机组的汽轮发电机组型号为TFLQQ-KD，额定转速1500r/min，频率50Hz，额定电压22000V，电流21440A，冷却方式为水氢氢冷。汽轮发电机为日立公司制造，电机定子绕组端部为篮式结构，绕组端部采用浸胶无纬玻璃纤维带绑扎固定在绝缘支架和绑环组成的端部固定件上，绑扎固定后采用烘焙固化，使整个端部径向和轴向成为一个刚性整体。

在发电机运行过程中，旋转磁场在定子铁心和定子线棒上引起100Hz 的倍频振动，该振动是导致发电机端部结构松动的主要诱因之一[1]。发电机在设计、制造过程中，应保证定子绕组端部各部件的固有频率尽可能不在100Hz附近，且在运行中使频率的振动幅值限制在规定范围内，长期连续运行不会影响发电机寿命。如果发电机定子线棒端部部件的固有频率接近100Hz，长期运行将产生很大的振动，使端部紧固结构发生松动、线棒绝缘磨损。

图1 定子端部结构图Fig.1 Structure of the stator end

图2 裂纹产生部位Fig.2 Crack occurrence site

图3 裂纹产生部位结构图Fig.3 Structure diagram of crack generation site

图4 裂纹具体位置描述Fig.4 Description of the specific location of the crack

1 概述

2016 年4 月，秦山CANDU 机组发电机解体检修。转子抽出后，在对定子线圈、定子线棒引水管进行检查时，发现汽侧引水管的绝缘层有5 处裂纹，引水管位置编号分别为2#、4#、5#、11#、14#。产生裂纹的部件以及裂纹的具体位置如图1 ～图4 所示。

根据厂家指导意见，绝缘层裂纹如若不及时修复，长期运行下去，裂纹会进一步扩大，严重情况下甚至会引起定子水管破裂，发电机组停机。

2 故障原因

2.1 历史记录

查阅该发电机上一次检修报告（2008 年执行），报告内有定子的此项检修内容，并未发现类似裂纹故障，确认此次检查所发现的绝缘裂纹为2008 年之后产生，同时也间接排除了发电机在制造、运输和安装过程中，受到机械碰撞而产生裂纹的可能性。

2.2 人因排查

现场对定子线棒引水管绝缘层的裂纹外观进行了检查，裂纹均匀，无明显磕碰痕迹，确认此裂纹故障非现场检修人为所致，排除人因失误导致引水管绝缘层受到磕碰的可能性。

2.3 引水管检查

为避免因裂纹进一步扩大而导致定子线棒引水管破裂的情况发生，现场对存在裂纹的绝缘层进行了剥离。同时，检查了定子线棒引水管本体，确认本体完好，也间接排除了引水管裂纹扩散导致绝缘层产生裂纹的可能性。

2.4 原因分析

图5 发电机汽侧定子线棒引水管裂纹产生逻辑图Fig.5 Logic diagram of cracks in the water guide pipe of the generator rod

现场对发电机裂纹开口部分材质进行检查，发现开口部分的绝缘层存在油蚀、老化现象。此外，发电机定子膛内发现不少油气凝结的油滴，综合现场检查结果，结合厂家人员的意见，并参考同行运行经验，推断裂纹产生原因如下：引水管绝缘层出现裂纹最主要的原因是引水管的绝缘层存在应力，随着绝缘材料的老化，绝缘层内的应力会导致绝缘层产生裂缝，定子膛内油气侵蚀则促成了绝缘层裂纹的显现。裂纹产生逻辑图及具体分析如图5 所示。

2.4.1 应力产生

发电机正常运行时，在电磁力的作用下，定子绕组将产生倍频机械振动。由于定子线棒引水管是直接与定子绕组刚性连接的，在机组运行工况下，引水管同样会产生两倍工频振动。定子端部引水管是渐开型的悬臂结构，无法可靠固定，倍频机械振动大，端部引水管绝缘会因此而产生机械应力。此外，温度变化时，引水管绝缘受热拉伸、压缩，会产生热应力。

2.4.2 裂纹产生

随着运行年限的增加，绝缘材料自然老化不可避免。在发电机正常运行期间，端部线棒振动导致端部绝缘产生机械应力，端部线棒的热胀冷缩导致端部绝缘产生热应力，在机械应力和热应力的共同作用下，发电机定子绕组端部绝缘会加速老化，且发电机端部绝缘材料长期承受高电压、高温，这会导致绝缘介质损耗加大，加速绝缘老化[2]。伴随绝缘材料的老化，在绝缘层内综合应力的作用下，定子线棒引水管绝缘层产生裂纹。

2.4.3 裂纹扩大

随着运行年限的增加，机组的密封瓦及油挡磨损，机组密封性能下降，导致定子膛内油雾加重，油气渗入裂缝，侵蚀绝缘，会加速裂纹的扩大，致使裂纹显现出来。

3 故障处理

根据JB/T 8990-1999 规定：大型汽轮发电机产品，在电厂有异常情况时（例如，承受突然短路、线圈磨损或松动等），都必须做固有频率测量[3]。目前，国内、外厂家针对此类问题，主要采取的措施是：将产生裂纹的绝缘层剥除，通过频响试验测量固有频率，并根据测量结果判断是否需要调整固有频率。经过与日立厂家设计、技术人员多次探讨，最终确定了如下处理方案。

表1 材料清单Table 1 Bill of materials

3.1 处理流程图

图6 定子线棒引水管绝缘层裂纹处理流程图Fig.6 Flowchart for the treatment of cracks in the insulation layer of the stator wire guide pipe

3.2 现场工作要点阐述

3.2.1 材料性能要求

鉴于发电机绝缘材料要长期经受高电压、高温、交变电磁力，且运行环境中存在油雾、潮湿的现象，绝缘材料的性能要求较高：电气性能上要求具有高的耐电强度；机械性能上要求具有高的机械强度、弹性、韧性；热性能上具有较高的耐热性和导热能力；工作环境考虑，要求材料能够耐油、耐潮、耐化学腐蚀。经过与日立厂家的沟通，确认现场所使用的绝缘材料均满足要求，具体材料清单见表1。

3.2.2 频响试验必要性

正常运行工况下，旋转磁场在定子线棒上引起100Hz的倍频振动。定子线棒引水管是直接与定子线棒刚性连接的，在机组运行工况下，同样会产生100Hz 的倍频振动。如果定子线棒引水管的固有频率在100Hz 附近，会产生共振，长期运行，会导致引水管振动加剧，甚至导致水管破裂。

发电机端部结构复杂，又受到绑扎工艺的影响，准确计算其固有频率十分困难。目前，通常采用频响试验，通过信号采集及快速傅里叶变换，计算固有频率。

3.2.3 频响试验测量原理

现场频响试验由日立厂家执行。为保证测量结果的准确性，现场频响试验执行前，投运定冷水系统，确保定子冷却水管已通满水。

现场测量时采用的频响分析仪是由力锤、加速度传感器和分析仪组成。用真空泥将加速度传感器临时固定于被测线棒上，用力锤击该线棒。频谱分析仪通过接收力锤发出去的信号和加速度传感器感应回来的响应信号，进行快速傅里叶变换，最终得出一条曲线，频响函数曲线的峰值处所对应的频率就是该线棒的固有频率。

3.2.4 固有频率测量值与实际运行值转换说明

机组运行时，定子绕组及定冷水引水管处于热状态，温度升高，使其周围的绝缘材料软化，弹性降低，也使其本身的刚性降低，导致其机械固有频率值有所下降。执行频响试验时，定冷水水温为实测值，经与厂家设计人员确认，正常运行工况下，定子冷却水温度50℃～60℃，定子膛内氢气温度为46℃，推算定子线棒引水管的运行温度为51℃左右，并以此推算运行工况下的固有频率。

3.2.5 固有频率判定标准

根据厂家设计制造标准，经过转化计算后的固有频率记为N，当90Hz ≤N ≤110Hz 时，判定不合格；当N＜90Hz 或＞110Hz，判定合格。

3.3 现场故障处理

3.3.1 定子线棒引水管本体检查

为避免因裂纹会进一步扩大而导致定子线棒引水管破裂的情况发生，需将裂纹处的绝缘层剥离，并对引水管进行检查。如若引水管存在缺陷，则需对其进行整体更换。现场将裂纹处的绝缘层剥离，检查特氟龙引水管，确认引水管本体无裂纹。

3.3.2 执行定子线棒引水管频响试验

频响试验波形采集，如图7 所示。

3.3.3 固有频率分析判断

执行频响试验时，定冷水水温为24.1℃，根据厂家设计人员的转换计算，测量值及转换值见表2。

判断标准——合格：N<90Hz 或>110Hz；不合格：90Hz ≤N ≤110Hz。

试验结果表明：2#、4#、5#定冷水引水管在运行工况下的固有频率分别为94.4Hz、97.8Hz、97.2Hz，接近100Hz，固有频率不合格；11#、14#定冷水引水管在运行工况下的固有频率分别为77.9Hz、84.2Hz，固有频率合格。

图7 2#、4#、5#、11#、14#引水管处理前频响试验波形Fig.7 Frequency response test waveforms of 2 #,4 #,5 #,11 #,14 #water pipe before processing

表2 故障处理前引水管频响试验数据Table 2 Frequency response test data of water diversion pipes before failure treatment

3.3.4 根据试验结果对引水管进行处理

2#、4#、5#定子线棒引水管固有频率接近100Hz，需通过改变引水管长度、厚度来改变其固有频率。现场利用绝缘云母带及环氧树脂对其进行缠绕，并使用玻璃丝带及环氧树脂对其两端进行固定绑扎。通过减少引水管的长度及增加引水管的厚度，来提高它的固有频率。

图8 2#、4#、5#、11#、14#引水管处理后频响试验波形Fig.8 2 #, 4 #, 5 #, 11 #, 14 # Frequency response test waveform after treatment

11#、14#定子线棒引水管频响试验合格，利用玻璃丝带及环氧树脂对其进行包扎即可。

3.3.5 再次执行定子线棒引水管频响试验

采集频响函数曲线，如图8 所示。

3.3.6 固有频率分析判断

执行频响试验时，定冷水水温为27.5℃。根据厂家设计人员的转换计算，测量值及转换值见表3。

判断标准——合格：N<90Hz 或>110Hz；不合格：90Hz ≤N ≤110Hz。

试验结果表明：2#、4#、5#、11#、14#定子线棒引水管在运行工况下的固有频率分别为191.5Hz、202.3Hz、194.6Hz、78.6Hz、84.6Hz，5 根引水管的固有频率均能避开两倍工频。

表3 故障处理后引水管频响试验数据Table 3 Frequency response test data of water diversion pipes after fault handling

3.3.7 绝缘保护处理

对2#、4#、5#、11#、14#定子线棒引水管涂抹绝缘漆。

4 结论

汽轮发电机定子绕组端部因其结构的特殊性，无法可靠固定。汽轮发电机组任何一种异常振动都潜伏着设备损坏的风险，共振会导致振幅加大，致使机组零部件松动，加剧部件之间的摩擦，产生应力，加速设备损坏。秦三厂2 号机组汽侧2#、4#、5#、11#、14#定子线棒引水管绝缘层裂纹已经修复完成，经过调整，确保引水管固有频率避开两倍工频，避免因共振而导致的问题。后续建议：

1）对发电机定子线棒端部引水管开展针对性的定期检查工作。

2）在条件允许的情况下，可加强对发电机定子端部绕组振动的在线监测，以便能及早发现隐患。