发电机水路及槽楔事故案例分析及对策

2020-11-16吴慧基

电气技术与经济 2020年5期

吴慧基

(深能合和电力(河源)有限公司)

0 引言

发电机为火电机组三大主力设备之一，是将机械能转变成电能不可替代的关键设备，发电机故障停机事故直接造成企业损失，修复成本高昂且难度大，工艺复杂且工期较长，给发电厂生产经营带来巨大的经济损失，甚至威胁到电网供电安全。因此保障大型发电机组安全稳定运行至关重要。反措中有专门针对发电机各重要构件隐患检查的要求，但有些问题即使辅导材料中着墨也并不多，本文根据发电机实际运维中出现的水路故障及槽楔紧固等问题进行若干列举分析。

1 定子绕组水路故障

国产哈电、上电600MW发电机冷却水路如下：冷却水从励端或集电环端的总进水汇流管通过连接的聚四氟乙烯绝缘引水管流入定子线棒，再从线棒出水接头通过绝缘引水管流入总出水汇流管。每根上层或下层线棒各自形成一个独立的水支路，共有84个并联的线棒水支路。另有六路冷却水从集电环端的总进水汇流管进入，也通过绝缘引水管流经绕组引线，即线圈端部连接线，主引线及出线瓷套端子或中性点母线后，进入出线盒中的小汇流管，再从外部管道流入汽端总出水汇流管，然后一起引出到外部总出水管，流回定子水箱(见图1)。

1.1 故障现象

发电机采用水氢氢冷却方式，定子线棒由铜耗和附加损耗产生的热量通过冷却水对流散热。多年来的实践经验证明：杂质、异物进入定冷水中是造成定子水内冷系统水路堵塞的主要原因之一，但发电机定子引线水路外接管道由于管径偏小而引发事故的情况也屡有发生，定子水内冷系统水路堵塞，将使被堵塞水路的水流量减少或断水，造成绕组绝缘局部过热损坏，严重者绝缘击穿造成短路或接地事故。

案例1：某JZS 电厂600MW发电机定子差动保护动作并跳闸停机，事故前负荷从 400MW 骤升到 600MW 左右；事故停机后发现以下现象：12 点到 1 点钟位置的 2W2 环形引线烧断，其它环形引线存在过热导致的绝缘脱离铜引线表面现象。经详细检查发现，与环形引线相连的机外出水联接总管，设计内径大于 38mm，实际内径为 20mm。

案例2：某GHY电厂机组因振动大导致汽机跳闸，随之发变组保护跳开主开关、灭磁开关，事故前负荷由长期运行的300MW左右上调至600MW；发电机端盖打开后，发现励端B相定子引出线环形引线烧坏，转子抽出后，发现汽端定子30～36槽下层线棒(对应定子B相)主绝缘损伤需更换；经检查发现，在发电机底部的小汇流管外接连通管上安装了内径仅为Ф15mm流量孔板(外接连通管内径为Ф38mm)。

1.2 故障分析

发电机在运行中，水泵起停及充水操作时，定冷水中会产生少量气体，此外，由于定子线圈绝缘引水管采用聚四氟乙烯塑料高分子材料，发电机内氢压高于定冷水压，分子量很小的氢分子可通过塑料高分子间的间隙，渗到定冷水中去，因此每天总有一定量的氢气渗过引水管进入到定冷水中。据厂家估算整台发电机每天约有50-150L的氢气漏入水中，正常情况下，漏入水中的氢气随水流带到水箱中，由排气管排出。国内外有关实验表明，当定子环形引线内的水流速大于0.7m/s 时，渗入的氢气能够及时被冷却水排出；但当水流速小于0.4m/s 时，气体将不能被冷却水带出，水中的气体将越积越多并聚集在并联环上部，形成“气堵”，据统计，发电机定子环形引线内冷却水正常流速在 0.8～1.0m/s 之间，不会引起气堵故障。然而，当将小汇流管外接连接管内径变小时，如上述JZS电厂发电机，外接连通管内径由要求的38mm改为20mm，甚至GHY电厂更小的15mm时，由于管径小流阻大，并联环冷却水量将减少一半以上，冷却水流速也减小一半以上，造成环形引线内的内冷水流量小、流速低；此时既促成水中所溶解的气体容易析出，又造成冷却水中析出的气体不能被及时带走，而聚集在上层并联环形引线的上部，致使该处铜管冷却水流量降低、引出线导体得不到正常冷却，使导体与冷却水同时温度升高，这又进一步加剧了水中的气体析出，当气泡聚集更多，流量进一步减少，致使气泡附近的铜管冷却条件恶化，温度上升超过运行水压下的饱和温度，水汽化变成蒸汽.体积将以千倍增加，形成管内局部高压汽堵区域，一方面使传热恶化，铜管温度骤然升高；另一方面大量蒸汽聚集完全堵塞水路，阻止冷却水的继续流入，铜管内冷条件被破坏，基本处于绝热状态，铜管温度越来越高，过热范围越来越大，当最热点的温度达到铜的熔点时，铜管开始熔断，熔断中产生的电弧将进一步加速熔断的过程，其电流转移至与之并联(同相)的其他环行引线，造成相连的发电机定子线棒因电流发热量过大而烧损。

引出线气堵烧毁的特征是原发故障点在最长引线最高位置，其机理如图2所示。

据了解，在全国已有10台次左右600MW级别发电机发生了类似的环形引线烧损事件，故障现象非常相似，如发电机都是采用美国西屋技术制造、烧断的引线都是弓形引线在12点钟左右位置、熔断的长度达数百毫米左右等等，甚至故障后的外观也比较相似。多数发电机在引线烧断后因保护及时动作与系统解列停机，故障没有进一步扩大。少数发电机在烧断一个引线分支以后，仍带全部满负荷加到另一个并联支路上，造成该支路的线棒严重过负荷，持续超过几分钟以后，该部分定子绕组线棒绝缘就因严重过热而损坏击穿，为此更换数十根定子线棒。

1.3 预防措施及对策

1)小汇流管外接连通管内径过小容易形成气堵，有的是外接连通管直接使用的是Ф20mm的小口径管，有的是在外接连通管上装有阀门(流量孔板)节流所致，外接回水管选型过细和安装错误，导致水流速过低，进而引起水温升高，气体过量析出，由开始的“气阻”逐步恶化形成“汽堵”，最终酿成事故。因此，为了能将氢气有效随冷却水带出，抑制氢气的过量析出，从源头上抑制气堵，必须保证引线内的冷却水流速满足设计要求，一般600MW发电机定冷水总流量要求为90±3t/h，上述案例中实际运行虽然都在额定流量范围，但基本处在下限，外接回水管选型、安装正确时，测试出线盒出水流量应为发电机总流量10%左右，但厂家说明书没有给出此处的设计流量及最低限制流量，安装错误时，出线盒出水流量仅为发电机总流量5-6%左右，且缺乏直观的监控手段，有效的办法应是将发电机定冷水流量和压力调整至厂家说明书要求的上限值，实时对环形引线的流量和温度进行监测，有条件的建议在外接管或出线盒出水管处加装流量监测装置，或定期用超声波流量计对内冷水总流量及小回水管流量进行离线测试，一旦流量出现异常，能够及时察觉，从而采取减负荷或增加定子进水压力等措施。

2)运行工况的有效监控、及时调整也是不容忽视的重要环节。

资料显示，根据“汽堵”故障时引线温升计算，从出现异常到引线烧毁仍有接近半小时时间，如能及时发现故障，快速采取有效措施，仍能保证环形引线不至于烧毁。在案例2中，发电机负荷由300MW上调至600MW(在此期间定冷水流量为88t/h，接近额定流量的下限值)，曲线显示此时定冷水中的电导率即开始缓慢上升(铜离子浓度增大)，直至2.5小时后线棒温度才开始突变，说明“汽堵”故障形成过程中，定冷水水质往往先产生变化，所以定冷水水质的实时监测乃至增加必要的告警也是一个值得摸索的有效途径。

如前所述，发电机每天都有一定量的氢气漏入水中，在水流速及外接回水管正常情况下，渗入的氢气能够及时的被冷却水排出，这时即使存在定冷水内漏的情况，只要注意各方面指标监控，风险大致可控，但当水流量偏低，还存在外接回水管偏细的情况，这时有效的运行监控将显得尤为重要，我们可以看出在2个案例中均存在事故前负荷由长期运行的较低负荷大幅度调整负荷的“刺激”因素，这时就应密切监视发电机的电压、电流、线棒出水、线棒层间温度及定冷水水质等参数的变化，控制定冷水压力、定冷水与氢气压差、定冷水流量应符合厂家要求值，并避免定冷水压力和流量出现大幅的波动。一旦出现异常情况时，应立即调整机组负荷，控制参数在允许范围内，在排除测量原因后，应果断停机检查处理。

另外，机组在大修时，有条件的宜完善告警系统，对定冷水电导率，定子线棒温度等设置告警值，应按照检修导则和25项反措的要求进行水流量试验，必要时增加热水流试验，同时，对发电机内冷水箱中含氢(体积含量)给予关注，内冷水系统中漏氢量达到0.3m3/d时应在停机时(不限于A修)安排消缺，漏氢量大于5m3/d时应立即停机处理。

2 定子槽楔松动故障

2.1 故障现象

2015年某电厂#1发电机大修，发电机抽转子后，对定子槽楔作松紧检查，电机厂质检员使用里氏硬度检测仪对发电机所有槽楔进行检测，图3展示部分检测数据。

节数槽号12345678…36373839404116787096587227246547097032677670653650707703727707370070263773870961070963046896946967346396637076985689697695721694690700693705708705709706721667706651722723659709704724622670698709700732738704639709700700704709694…20648640709708708715719710622623653651621702217107047087266977367126716227036217216246442269970169570570771666371865473970165765570323697691698704702731734681721712704655705707246807026936987237236407067087216527067006772570870067070069372371472460971270562673073126720709704706701669703710708707700708707679276937077047066397127106717087067037086296782864967067067064071764264073773372973573973429679645693648737640643646701625731737738645…3864570270772869070167070158970370067070664939675642735690736736703707644702734626625647406406406446556406447016476107056707077047024167870470770870370070070170270173162670470742695703631644643706645722705734624727726645

各电机制造厂选用材料不同，标准也有所差别。哈电机厂对600MW发电机槽楔声检里氏硬度标准为：每根槽楔测量两点，数值应大于700HL，每个槽可以有两根槽楔低于标准，但不能低于660HL，且不能相邻；每根端头槽楔必须合格大于700HL。图表中灰色部分为≦660HL，垂直条纹部分为661～699之间。对全部检测数据分析得知，最低值仅为589，偏离标准值较多；按序号分，前槽与后槽松动比较突出，中间槽数及每槽的中间节相对较好，整体≦660HL的槽楔数量较多，且部分相邻，端口关门槽楔大部分均已松动，小于要求值，已大面积突破了每个槽可以有两根低于700HL的标准。

2.2 故障分析

发电机主要采用U型燕尾槽铁芯，在槽楔下使用弹性波纹板固定结构，在电机运行中由波纹板弹簧垫条的伸缩自动补偿槽楔可能出现的松动以保持线棒处于紧固状态。发电机运行过程中，定子线棒由于受到电磁力的作用会产生振动.端部所受电磁振动力的频率是电网频率的2倍，切向、轴向分量较少，以径向为主，槽楔与波纹板构成的紧固结构与上层线棒直接接触，波纹板具有较好的预置形变量，以确保线棒能承受较大电磁力而不发生振动。但随着电机长期运行(#1发电机运行已达8年)，由于材料疲劳、积污磨损以及局部放电等影响，即使是良好的紧固结构仍然会逐渐松动，随着槽楔紧固程度的不同，波纹板的形变量也发生改变，进而导致波纹板作用在槽楔底部的弹性力大小也发生改变，槽楔振动特性发生变化，逐渐导致其形变量衰减，加重槽楔松动。特别是端部槽楔松动，造成定子线圈两端振动及出现位移，致使端部绝缘层与槽内侧面波纹板接触面磨损，同时由于发电机存在进油情况又加剧了松动，使磨损更严重。绝缘层磨损后与油混合形成泥状物，分布在第一风区槽楔表面及风道中。当波纹板的形变量减小到一定值，所提供的紧固力达不到要求时，运行中就可能因振动幅值增大而最终造成槽楔严重松动、脱落，引起定子线棒在电磁力的作用下剧烈振动，加速主绝缘劣化、损坏而导致主绝缘击穿等严重运行事故。

2.3 处理措施及建议

针对槽楔大面积松动的情况，电厂专业人员征询了发电机厂家、电科院所及同型机组电厂处理方法后，召开专题会，确定处理范围及方案：在A修期间进行处理，更换部分老化垫条、中间段槽楔，将波纹板、关门槽楔全部更换、敲紧，清理汽励两端铁芯，去除油污和杂质，将材料磨损后附着在铁芯风道里的黑泥彻底清除，对所有槽楔全部重新安装紧固；安装槽楔时，根据需要在槽内加入垫条，继而放入新波纹板，分段打紧槽楔，每打完1节都必须检查合格与否，整台槽楔完毕后要逐一检测验收，每块槽楔应完整、平整，槽楔不凸出铁芯内圆表面，用仪器复测确保数据满足厂家标准。

建议在发电机运行多年后，大修时应将槽楔松紧度检测列为发电机重点检查项目，当发现槽楔存在松动时，要予以及时彻底地处理，不留后患。每次测得的槽楔松紧度数据应保存完整，以便于历史数据的比较分析。正常情况下，据电机厂的经验，槽楔处理过一次后.再发生深度形变机率较小，可保证发电机在下一个大修周期前不会出现大面积松动。另外，在检查中，除槽楔外，还发现两侧端部如引线压板垫圈、固定支架螺钉、拉紧楔垫圈、槽口限位片等部分紧固件也存在程度不等的松动、位移现象，都给予了加固处理，这一点也要引起足够重视。