1000MW汽轮发电机线棒层间温差大问题原因探讨

施俊峰 尚新建 赵波

摘要：本文介绍了国内某核电站1000MW汽轮发电机线棒层间温差偏大问题的背景和分析方法。从温度探头测量准确性、设备设计结构、工艺特点、绝缘温降等几个因素，结合现场水流量试验、热水流试验、空载试验等试验和河洛发电厂6#机温差高的典型案例综合分析，排除了发电机线棒堵塞、铁芯局部过热、线棒局部过热等原因，对该机组长期运行提供了技术支撑，确保机组安全稳定运行。该文对大型发电机此类型缺陷的原因查找和处理具有重要参考意义。

关键词：发电机  线棒  层间温差

一、 引言

大型发电机在运行期间，定子线棒温度出现异常时，如果不及时进行分析并处理，严重时将引起线棒过热而烧坏发电机，造成严重的设备故障和经济损失。因此，发电机线棒温度的监测及出现异常时的及时处理，对发电机的安全稳定运行有十分重要的意义。

二、 概述

1、异常情况描述

某核电站1000MW汽轮发电机在满功率运行状态下，发现发电机定子线棒层间温度最高74.3℃  ，最低  61.2℃，温差达13.1℃。且各点温度不均匀，温度超过70℃的有6个点，温度低于63℃的有9个点，多点温差均超过了8℃。上、下层线棒出水温度十分均匀，上层出水平均温度62.87℃，下层出水平均温度61.13℃（见图1）。经查看历史数据发现在发电机短路、空载及升降功率过程中，层间温度均存在较大温差。

该发电机生产厂家及技术文件均未对线棒层间温差作任何规定，但是根据《防止电力生产事故的二十五项重点要求》中明确要求：“制造厂未明确规定的，如定子线棒层间最高与最低温度间的温差达8℃或定子线棒引水管出水温差达8℃时应报警，应及时查明原因，此时可降低负荷。定子线棒温差达14℃或定子引水管出水温差达12℃，或任一定子槽内层间测温元件温度超过90℃或出水温度超过85℃时，在确认测温元件无误后，应立即停机处理”。

2、 发电机结构简介

该电厂1000MW发电机型号为TA1100-78，冷却方式为水氢氢冷却，由东方电机厂采用ALSTOM技术进行生产。定子铁芯共48个线槽，每槽布置上、下两层线棒。每根线棒内部分散布置16根不锈钢空心管道，用于通水冷却线棒，线圈内部采用540度罗贝尔换位结构。

冷却水从发电机励磁侧环形进水汇流管通过聚四氟乙烯绝缘引水管流入定子绕组，再从引水管流入汽端环形出水管。上层和下層绕组均有独立的水支路，共有48个并联的绕组水支路，另有6路冷却水从励磁侧的环形进水汇流管进入，通过绝缘引水管流经绕组端部连接线、主引线、出线瓷套端子和中性点母线后，进入冷却水系统。定冷水箱为密闭式的，系统采用贫氧运行。

每个线棒的汽端绝缘引水管与汇水管接头处均有温度探头用来监测线棒出水温度，共96个pt100测温元件，每个线槽上、下层线棒间在汽端第3段铁芯处均布置温度探头，用来监测线棒层间温度，共48个pt100测温元件。

三、 原因分析

该机组层间温差偏大现象有以下特点：

层间温度异常点较多，且各点分散无关联性，见图1。

不仅存在温度偏高异常点，同时也存在温度偏低异常点，见图1。

各温度异常点（坏点除外）温度变化趋势正常。

层间线棒出现温差存在温度分界点，机组运行状态下一般温度超过30℃后才呈现温差。

层间温度异常点对应的上、下层线棒出水温度未见异常，且出水温度十分均匀，此外铁芯、铜屏蔽温度也未见异常。

下面结合以上特点及发电机大修检查情况对各可能原因进行分析。

1、温度探头测量的准确性

在发电机定子槽部上下层线棒之间埋置电阻测温元件以监测线棒层间温度。因发电机机座为密封防爆结构，温度测量引接线经接线柱转接后引出机外。接线柱两端采用航空插头接线方式，可能因接触不良、信号传输异常或测温元件故障影响测温结果。此外，测温探头及其引线回路在发电机运行状态下，处于一个较强的电磁场环境中，电磁场的干扰也可能影响温度测量的准确性。

为检查探头测量是否准确，进行了如下检查：

（1） 机组运行期间，工作人员在发电机航空插头处和转接箱中测量了各探头的电阻值，经过换算与KIC上显示的温度值相比较，结果完全相符（坏点316MT除外），说明探头损坏和回路异常的可能性较小;

（2） 机组大修期间，进行了热水流试验，各温度测点显示值均匀，无明显偏差

（3） 各温度异常点在发电机短路、空载、升功率过程中温度变化趋势一致，且经分析变化趋势均正常（个别坏点除外），说明探头电阻温度特性良好;

（4） 在稳定功率平台，各层间温度稳定（个别坏点除外）

（5） 停机状态下，各测点温度一致，无温差，说明测量回路无异常。

根据以上几点综合分析，除个别坏点，其余测点测量的温度是准确的。但是针对是否存在电磁场干扰的问题，目前尚无法确认，需进一步进行排查。层间温度测温元件处于强电磁场环境，原材料中的微量元素（杂质）在一定强度的电磁场作用下，会引起材料发热，导致电阻增大。一般情况下，如果杂质含量低，屏蔽措施好，这个问题并不明显，所以层间温度的测量是正常的。如果杂质含量增大、屏蔽措施不足，这个问题便会表现的比较明显，针对该问题目前无具体数据数据，需进一步分析确认。

2、发电机结构设计、制造工艺原因

该发电机线棒测温元件采用埋入式测温元件，埋设在定子槽中上、下层线棒绝缘之间，它测量的是铜导体绝缘外表面的温度，线棒的主绝缘厚度约5mm，绝缘外表面温度与线棒铜导体的温度存在一定的差值，此差值称为线棒的绝缘温降。此绝缘温降在未经试验测出之前，在额定负荷下，一般可用式（1）估算，即

ΔT=kT1（1）

式中ΔT绝缘温降（k）;k-系数，取0.5～0.6; T1-绝缘槽壁温降设计值（k）

绕组层间温度可用式（2）表示

T=T0-ΔT=T0-kT1（2）

式中T为绕组层间温度，T0为绕组铜导体温度，ΔT为绝缘温降

从上式可以看出绕组层间温度由绕组铜导体温度和绝缘温降决定。

绕组铜导体温度与绕组直阻、绕组电流、冷却等因素有关，常见的有线棒异物堵塞或气堵，导致冷却不足，绕组铜导体温度升高。

绝缘温降的大小与电机形式、通风情况、电流密度、绝缘厚度、绝缘材料种类、绝缘老化程度、检温计尺寸以及埋设情况等因素有关。

下面根据实际情况，针对一些可能因素进行分析。

2.1 发电机绕组堵塞导致过热

从表1洛河发电厂6#机的情况可以看出，洛河发电厂6#机在满功率状态下， 第12槽层间温度比其他槽层间温度高10.2℃，且12槽上、下层线棒出水温度未见异常，后经核实确认12槽线棒存在堵塞现象（见表1）。在线棒出现轻微堵塞时，层间温度升高，上、下线棒出水温度未必会升高。

但是该核电站的异常情况与洛河发电厂6#机相比，存在很多差异：

（1） 该机组层间溫差异常高的点较多，通过该核电站1#机组的参数对比分析来看，线棒层间温度正常值约65℃，据此来看，温度异常偏高的点多达20个。如果是由于线棒堵塞造成的，这么多的线棒堵塞必然会导致定子冷却水流量下降，但是事实上定冷水流量并未变化。

（2） 经查发电机定子线棒水流量试验数据，流量分配基本均匀，符合流量试验标准。且发电机定子出水温度基本分布均匀，并与水流量分配试验结果和层间温度分布没有规律性。

（3） 发电机定子绕组由实心铜线和空心铜线交叉组成，容易出现线棒腐蚀而出现堵塞现象。该核电站发电机线棒结构与案例中发电机线棒结构有差异，每根线棒内部分散布置16根不锈钢空心管道（见图2），整个线棒被均匀冷却，即使某一个管道出现局部堵塞，层间温差也不会这么大。

（4） 除了异常偏高点外，还有9个异常偏低点，线棒堵塞基本是不会导致层间温度偏低的。

综合以上几点分析，认为该发电机不存在线棒堵塞现象。

2.2 绝缘温降的影响

2.2.1绝缘厚度、材料、老化影响

根据计算，在铜导体绝缘层之间，温度梯度呈非线性变化。愈接近铜导体，绝缘层温度越高;愈靠近线棒外表面，则愈低。因此绝缘层的厚度将直接影响线棒绕组绝缘温降。线棒主绝缘厚度均按标准5mm制造，且线棒制造工艺成熟，线棒不同部位绝缘厚度不一致的可能性极低。同一机组所用绝缘材料应该是一致的，且这是一台新机组，绝缘基本不存在老化的现象。而且热水流试验也从一定角度证明了，线棒的绝缘温降基本是一致的。因此可基本排除绝缘厚度、材料、老化的影响。

2.2.2线棒绝缘局部过热

当线棒局部发生电晕、电腐蚀产生高热，对绝缘材料形成热、机械、化学损伤，引起绝缘层局部过热，而且绝缘温将也将降低，可能导致层间温度偏大。

线棒绝缘局部过热时，会分解出一些热解粒子并扩散到氢气中，发电机绝缘过热装置检测到热解粒子后，原离子电流将大幅度降低，示数低于50%将发出报警信号。此外，若存在局部放电，局放监测装置监测的局放量也会异常升高。但经查看绝缘过热装置和局放装置数据，均未发现异常。所以绝缘局部过热的可能极低。

3、 探头安装工艺

线棒表面绝缘的温度分布是不一致的，线棒两侧的绝缘紧挨着铁芯，受氢气和铁芯温度的影响，温度较低，与铁芯温度相近。而层间绝缘温度较高，且受铁芯和氢气影响的程度跟位置有关系，越靠近层间绝缘中心线的位置，影响越小，温度越高。越靠近铁芯侧，受到的影响越大，温度越低。查看数据可知，层间绝缘温度比铁芯温度高约20℃，铁芯最高温度数据显示只有50℃，而层间绝缘温度最高点约为73℃。

层间温度探头埋设在两线棒绝缘之间（如图2），探头与线棒对称平行布置，且压紧不可移动。如果各测点探头安装的相对位置不一致，可能导致测量的温度存在差异。探头安装在层间绝缘中心线处，所测得的温度最高，安装位置越靠近铁芯侧，所测得温度越低，因为受到氢气和铁芯温度的影响越大。因此，探头的安装工艺可能影响层间温度的测量，导致层间温差偏大。

四、 结束语

该电站发电机是2013年并网商运，在工程安装调试期间空载试验时，就存在定子绕组线棒层间绝缘温差偏大的现象，通过对水流量试验、热水流试验、短路试验、空载试验和在线监测装置监测结果等综合分析、论证，排除了发电机线棒局部堵塞、定子铁芯局部过热、线棒绝缘局部过热等影响发电机运行的严重故障模式，得出该发电机可继续保持运行的结论，并运行至今，未发现线棒层间温差有扩大趋势，对查找和处理此类型缺陷具有重要参考意义。

参考文献：

[1] 《发电机定子线棒层间温度单点异常升高分析及处理》安徽电气工程职业技术学院学报  1672-9706（2012）O1.0082.03  陈国栋

[2] 《大型发电机设计、制造与运行》汪耕、李希明等，上海科学技术出版社

作者简介：

施俊峰（1988-），男，福建，电气系统工程师，本科，主要从事核发电机设备管理和检修工作，（E-mail）shijunfeng@cgnpc.com.cn

尚新建（1980-）福建，电气系统工程师，本科，主要从事核发电机设备管理和检修工作，（E-mail）shangxinjian@cgnpc.com.cn

赵  波（1986-）福建，电气系统工程师，本科，主要从事核电气系统设备管理工作，（E-mail）zhaobo@cgnpc.com.cn