水轮发电机定子绝缘盒溢胶缺陷分析及处理

2023-01-03侯忠

小水电 2022年5期

侯忠

（中国水电—萨格玛塔电力有限公司，尼泊尔 999098）

1 概述

某水电站位于国外1条主河流道的最大支流上；项目由一家中国海外公司采用国际标准或等效的中国标准全流域整体规划，分阶段投资开发建设和运营。7座梯级电站分两期进行开发，总装机容量达128万kW，多年平均发电量50亿kW·h，总投资约28亿美元；为BOT（建设、运营、转让）项目，特许运营期为27 a。一期开发了3座电站，装机容量为540 MW；二期开发了4座电站，装机容量为740 MW。

某水电站为该流域梯级电站的第三级，装有3台7万kW的轴流转桨式水轮发电机组，水轮发电机组及其附属设备由浙富控股集团股份有限公司制造，同步发电机型号为SF70—52/9730，额定水头26.5 m，额定转速115.4 r/min。

该电站水轮发电机定子绕组为双层条式波绕组、2支路星形连接。绕组电磁线采用先进的双玻璃丝包烧结铜扁线，绕组绝缘为F级；线棒主绝缘采用VPI工艺。在线棒与线棒之间及铁心轭部内均埋置电阻测温元件，以监测发电机运行时绕组和铁心的温升。定子线棒换位方式采用槽内360°罗贝尔换位，以降低附加损耗和均衡线棒中股线间的温差。3台机组于2020年9月份全部投产发电，其定子绕组并头采用绝缘盒灌注胶填充密封，在安装过程中，有可能发生绝缘盒内灌注胶未充分固化的现象，在机组投运过程中出现溢胶，影响机组安全稳定运行。

2 现象及原因分析

2.1 溢胶现象

由于该机组于2020年9月份投运，投运时间短，根据公司“一体化”管理标准的技术标准，2020年机组枯水期检修只安排了该机组1次D修，未对机组的定转子进行清扫检查；只对机组的辅助设备及公用设备进行了端子紧固清扫，运行缺陷及安装遗留缺陷进行消缺；因此未发现定子端部绝缘并头盒有溢胶现象。在2021年枯水期该机组的C修过程中，检修人员打开挡风板观察孔对定子绕组进行检查时发现定子上端部靠近中性点附近绝缘并头盒有溢胶现象，约有40个左右呈连续性分布；下端靠近出线端附近绝缘并头盒也有溢胶现象，约有34个左右呈连续性分布。检查绝缘并头盒未开裂、未鼓包、未变色，绝缘盒上端溢胶后形成针孔般的孔洞，下端形成带状悬挂在并头绝缘盒下端。对溢胶进行检查发现，溢胶表面已形成黑色的壳，剥开黑色的外壳，内部较软，未固化，略带黏性。

2.2 原因分析

（1）焊接不良：定子绕组上端部并头处银铜焊接不良，回路电阻大，机组运行过程中因发热导致灌注胶从该部位溢出。

该机组定子由定子机座、定子铁心、定子绕组等组成。定子机座为正十六边形焊接结构，至对边尺寸11 000 mm，高2 203 mm。定子机座分四瓣运至工地，在工地现场焊接组装为一体。机座设顶环、上环、中间环板、大齿压板，环间沿圆周等距离布置加强立筋和导风板等。机座壁上开有空气冷却器窗，主、中引出线孔及测温引线孔。机座在工厂组焊，组圆再加工内腔及大齿压板，这样可保证定子铁心的叠装精度。上齿压板采用分块式齿压板结构，上、下齿压板的压指均采用非磁性材料，以减小漏磁引起的附加损耗导致端部发热。定子线棒经过现场10%抽检合格，进行现场下线安装、并头焊接等。现场焊接对焊料、温度控制、时间控制等关键环节工序工艺要求高，要控制好加热温度以及焊接的整体时间。如果温度较高，且钎料出现过强的流动性，增加对母材的溶蚀，就会导致过烧，促使钎焊金属粒增大；焊缝组织也会有疏松现象，严重影响其强度。相反，如果温度过低，就会延长焊接时间，导致线棒端部绝缘损坏。因此，有可能出现并头焊接因为工序工艺把握不好出现焊接不好，回路电阻偏大，机组运行过程中并头发热等现象。

（2）灌注工艺不良：填充胶的配比、揉和不均。

该机组定子绕组并头绝缘盒采用酚醛玻璃纤维压缩材料4330—1，为德阳东方一力机电设备有限公司生产，适用于发电机定子线棒并头后，在并头处的灌胶绝缘。该绝缘盒密度：1.7～2.0 g/cm2，拉伸强度：≥300 MPa（常态），弯曲强度：≥400 MPa（常态），体积电阻率：≥1.0×105MΩ·m（常态），表面电阻率：≥1.0×107MΩ·m（常态），电气强度：≥8 MV/m；耐热性高，可在150℃以上不超过200℃长期使用。在外力作用下不易变形，具有较强的电气、机械性能，机械强度高，电绝缘性好。外表面平滑，色泽均匀，无气泡、气孔和裂纹等缺陷；在机组运行过程中不会出现分层和开裂现象。

为了使绝缘盒与绕组接头成为一体，需用绝缘灌封胶将填充绝缘盒和接头之间空间填实。上端绝缘盒灌注胶采用881双组份灌注胶，为德阳东方一力生产的发电电机定子条式线圈上端并头绝缘盒环氧灌注胶，采用环氧树脂作基料，石英粉为填充剂，以聚酰胺作固化剂，具有良好的触变、填充效果；固化时间：≥≤24 h，介电强度：≥15 MV/m。在配制时，应将双组份混合均匀，并进行充分搅拌，以保证树脂、固化剂与填料混合均匀。若气温偏低，放置时间长，有可能出现结块现象，可在60℃左右温度下进行烘焙，使其熔化，即可使用。下端绝缘盒灌注胶采用879双组份灌注，为德阳东方一力生产的发电电机定子条式线圈下端并头绝缘盒环氧灌注胶，由低粘度环氧树脂、固化剂、特种无机填料等组成；固化时间：≥≤24 h，树脂含量：＞40%，介电强度：≥15 MV/m。在使用前应充分搅拌均匀后方可使用，固化时采用分段逐渐升温工艺，固化后要使浇注件慢慢降温，以防止产生内应力而引起浇注件的开裂。

上下端绝缘盒底密封采用环氧填充腻子HDJ-18，为德阳东方一力生产的适用于发电机定子线圈并头绝缘盒封口填充的腻子，以环氧树脂、填料和固化剂为主要成分的室温固化的双组分填充胶，具有机械强度高、介电性能好等优点。使用前按A∶B

=5∶0.6将A、B两组分别取出揉合在一起；双组份混合均匀后填充到绝缘盒内。若气温低，放置时间长，可能结块，可在60℃下烘焙4 h以上使其熔化后仍可使用。

根据《水轮发电机定子现场装配工艺导则》（SL 600—2012）和厂家规范要求，绝缘盒套入前，应彻底清理接头，检查绝缘盒外观质量；若有裂纹、气泡或壁厚小于3 mm者，不得使用。绝缘盒套入后，与绕组端头绝缘的搭接长度不小于相关规定；搭接长度不够者，可用F级粉云母带预先加包接长。浇灌上端绝缘盒内环氧胶时，应先放好垫块，使绝缘盒与并头套的间隙要均匀，用封口腻子HDJ-18封住底口；待底口封胶固化后开始灌胶。浇灌时，先从盒上浇灌孔中注入1层10～20 mm厚度。固化时间短的环氧胶，观察是否泄漏，待24 h固化后进行第二次注胶；操作时应缓慢灌注使气泡充分排除直到灌满为止，并依据胶在盒内的收缩情况进行补胶。绝缘盒封口腻子（胶泥）HDJ-18是由环氧树脂与特种无机填料和固化剂配制而成的室温固化的双组份腻子胶，使用时须将A、B两组份取出揉合均匀，待881灌注胶完全固化后再用HDJ-18环氧填充腻子填平上端绝缘盒端口；如果881灌注胶和HDJ-18封口腻子在灌胶时揉合不均匀，就会出现固化不完全的状况，导致机组线棒端部在运行过程中出现溢胶现象。

3 故障诊断

3.1 故障现象诊断

溢胶呈乳滴状，悬挂在绝缘并头盒下端部，随转子旋转产生的风飞溅在定子铁心上，呈点状。溢胶表面有层很薄、呈黑色的壳，内部呈橡皮泥状态，较柔软，略带黏性；剥去黑色的外壳，用温度对溢胶进行缓慢加热，溢胶未出现熔化的现象。上端绝缘并头盒溢胶后形成针孔状的孔洞，通过该孔洞用较细的木签对绝缘盒内部进行探测，溢胶后绝缘盒内已形成很多蜂窝状的空隙，内部的灌注胶有的地方较硬，有的地方较软；绝缘并头盒未出现开裂、鼓包、变色等现象。因此，该机组定子绕组绝缘并头盒溢胶有可能发生在机组安装启动试运行到机组投运后的一段时间内，溢胶后与机组运行过程中的灰尘接触，在空气的作用下氧化变质，长时间就在溢胶表面形成了黑色的壳。

3.2 对发电机定子绕组进行直流耐压及泄漏电流数据测试

A相1μA，B相2μA，C相2μA，持续耐压时间为60 s；直流耐压前绕组绝缘电阻：A相344 MΩ，B相355 MΩ，C相359 MΩ；吸收比：A相2.84，B相2.95，C相2.98；直流耐压后绕组绝缘电阻：A相410 MΩ，B相351 MΩ，C相357 MΩ；吸收比：A相2.84，B相2.95，C相2.98。

根据国家《电力设备预防性试验规程》（DL/T 596—2021），机组定子绕组绝缘电阻值不应低于12 MΩ，三相绝缘电阻值的差值不应大于最小值的100%，吸收比不应小于1.6，极化指数不应小于2.0；在规定试验电压下，三相泄漏电流的差别未大于最小值的100%；最大泄漏电流小于20 μA。因此，各项试验数据均合格，均满足国家规范要求，与机组安装时的交接性试验数据对比未有显著的变化。

3.3 缺陷判断

当离槽口很远的定子绕组端部绝缘存在局部缺陷时，直流耐压和交流耐压都无法准确地发现缺陷。发电机工频交流耐压试验容易发现定子绕组槽部及槽口处的绝缘缺陷，而直流耐压试验容易发现端部的故障。直流耐压试验时，端部绝缘中不存在电容电流，流经绝缘表面的泄漏电流较小，绝缘上承受的电压较高；但当距离铁心较远时，由于端部表面绝缘电阻的作用，绝缘上承受的电压也要大大下降。当端部接头等处存在局部缺陷时，直流耐压试验也不能有效地发现。因此，为了进一步确定故障类型，采用手包绝缘直流电压端部电位测量法来判断端部绝缘或并头焊接质量是否存在缺陷。用0.01～0.02 mm厚的锡箔纸包覆发电机定子上下端部绝缘盒，定子线棒与接线盒接头上下各包覆2 cm，锡箔纸要贴紧，不允许存在大面积的气隙；如果不容易贴紧，可涂抹少量凡士林。为防止定子端部接线盒之间对数据的影响，进行铝箔包覆时应每隔开一个再进行包覆，试验分为2次进行。加压前应首先测量所测部位的绝缘电阻。将U、V、W三相进行短接，并通直流电压，电压等级为1.0 Un；用端部电位测量仪测量各个铝箔带电位移，并记录；检查数据后发现线棒对地电位与平均值相比未见明显异常。因此，可以排除定子绕组上端部并头焊接不良，回路电阻大，机组运行过程中因发热导致灌注胶溢出的故障。

通过现场故障现象及试验设备故障检测分析，溢胶未造成定子绕组主绝缘伤害，是机组安装过程中，定子绕组绝缘并头盒灌注胶时，881、879绝缘盒灌注胶揉合不均匀，出现部分灌注胶固化不完全溢胶。

4 故障处理

4.1 准备工作

（1）做好安全措施，吊开上机架盖板，拆除发电机定子绕组上下挡风板。拆除的螺栓、螺帽、垫片、平垫等应及时放入收纳袋或收纳盒。拆完后，应清点螺栓、螺帽、垫片等数量是否与设备未拆除前的螺栓、螺帽、垫片一致，以免拆除的螺栓、螺帽、垫片等掉进定转子、线棒等缝隙。

（2）用直流电阻测试仪对定子绕组进行分相测试直流电阻值，并记录。

（3）将所需更换的绝缘盒区域标示清楚，用毛刷、布及干燥压缩空气将周边清理干净。

（4）取干净塑料布，先在绝缘盒位置处挖出适合孔位，之后套入绝缘盒并平铺于作业区定子绕组（上端部）之上；间隙处用布等材料塞实以防止作业时大块胶掉入定子绕组内。

4.2 绝缘盒拆装

（1）用锋钢刀敲去需处理的绝缘盒，清除附于线棒端部引线的环氧胶。

（2）绝缘盒套入前，应彻底清理引线接头，目视检查原焊接是否满焊，检查焊接面是否有发黑氧化现象；如有应补焊并清理引线处碳化物，之后用包装布沾酒精擦洗整个套装绝缘盒处引线。

（3）检查绝缘盒外观质量，若有裂纹、气泡或是壁厚小于3 mm，不得使用。绝缘盒在使用前，内壁用钢锯条打毛，并用酒精清洗干净，烘干后方可使用（烘焙温度40～50℃，4 h）。

（4）所有绝缘盒要放正，不得有扭斜。套入时，确保所有绝缘盒垂直于径向，而且周向均匀分布；两两之间的间隙要均匀，并且严禁出现两只绝缘盒接触的情况，不得突出定子铁心内径圆弧面，绝缘盒内腔与线棒之间的间隙也要均匀（四周）。绝缘盒套入后，与绕组端头绝缘的搭接长度不小于30 mm；搭接长度不够者，可用F级环氧粉云母带预先加包接长。

（5）浇灌上端部绝缘盒时，先用木楔子、E型板等工装固定于线棒端头上，之后用环氧腻子做好打底作业，以防止浇筑环氧灌注胶时渗漏；环氧腻子配比5∶0.6，手工揉搓搅拌均匀使用。

（6）环氧灌注胶按第3条搅拌均匀后使用，先倒1/3绝缘盒高度，检查是否有渗漏情况；如无再灌满，环氧灌注胶固化后液面会下沉，应及时补胶。待环氧灌注胶彻底固化后，再拆除工装，清理周围残留物。

（7）下端绝缘盒浇灌时，可先在盒内盛适量的环氧灌注胶，用1个轻便的支架支撑，调整到所需高度。用木楔块（如有必要，间隙用木楔块塞牢固定）调整相邻绝缘盒间的距离基本相等，而后将环氧灌注胶灌入，固化后撤去绝缘盒支架和木楔块。

（8）确保所有绝缘盒内环氧灌注胶固化后，其收缩的局部低点不得低于绝缘盒表面3 mm；否则应进行填充，直至达到要求为止。

（9）将每次搅拌的环氧灌注胶留样，同时做好绝缘盒浇筑记录，并且备案留存。

4.3 环氧灌注胶操作流程

（1）打开A组后，建议用电动搅拌器（功率≥700 W，转速100～700 r/min）匀速搅拌1 min左右（将搅拌器与桶成60°左右斜角搅拌），将A组树脂和填充料搅拌均匀，消除上下成份差异。若采用其他搅拌方式，需要进行上下左右的搅拌不少于5 min，搅拌均匀，消除上下成份差异（需要确保A组份底部无沉淀物，以保证上下部比重一致）；不建议采用手工搅拌方式进行搅拌。若现场施工条件允许，当温度低于25℃时，建议将其置于40～45℃烘箱预热1 h左右，操作性更佳。

（2）将B组5 kg固化剂导入A组20 kg（A∶B=4∶1）搅拌2～3 min。

（3）将混合的树脂倒入待用的干净空桶内，并再次搅拌2～3 min后即可分装使用（要求首次混合好的环氧灌注胶留样2份保存备查）。

（4）将工件置于室温（23℃）下12～24 h即可硬化，一般固化周期在2～3 d。