賀文靜，黃智雄

(四川嘉陵江小龍門航電開發(fā)有限公司，四川南充 637000)

發(fā)電機(jī)定子線圈燒毀原因分析與處理

賀文靜，黃智雄

(四川嘉陵江小龍門航電開發(fā)有限公司，四川南充 637000)

小龍水電站安裝的豎井貫流式機(jī)組為國(guó)內(nèi)首次試驗(yàn)制造，在國(guó)際上的應(yīng)用也非常罕見，運(yùn)行中不可避免地會(huì)逐漸暴露出設(shè)計(jì)與制造中存在的缺陷。對(duì)3號(hào)發(fā)電機(jī)定子線圈燒毀原因進(jìn)行了分析和總結(jié)，提出了對(duì)其余發(fā)電機(jī)采取的預(yù)控處理方法和工藝要求，可為同類機(jī)組類似問題提供借鑒;同時(shí)，警示同類機(jī)組在設(shè)計(jì)與制造時(shí)應(yīng)加以重視，從根本上杜絕此類缺陷。

線圈;燒毀;3號(hào)發(fā)電機(jī);分析與處理;小龍水電站

1 概述

小龍水電站位于嘉陵江中游南充市順慶區(qū)和高坪區(qū)河段上，是《嘉陵江蒼溪至合川段水電規(guī)劃》嘉陵江廣元至重慶段16級(jí)開發(fā)方案中的第11級(jí)。該工程是一個(gè)以開發(fā)水電資源和渠化航道、發(fā)展航運(yùn)和地方經(jīng)濟(jì)相結(jié)合的、兼有美化城市環(huán)境和發(fā)展旅游等綜合效益的項(xiàng)目。電站安裝了4臺(tái)由東方電機(jī)有限公司生產(chǎn)的、亞洲單機(jī)容量最大的豎井貫流式機(jī)組。該機(jī)組由水輪機(jī)、增速器和發(fā)電機(jī)等部件組成，機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖與主要技術(shù)參數(shù)分別見圖1和表1。

圖1 機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖

表1 機(jī)組主要參數(shù)表

2 故障情況

小龍水電站3號(hào)機(jī)組于2008年12月30日投產(chǎn)。2013年12月9日15時(shí)16分(此前機(jī)組停機(jī)備用26．5h)，運(yùn)行值班人員在監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)上執(zhí)行“停機(jī)”至“空轉(zhuǎn)”流程并在其正常后執(zhí)行“空轉(zhuǎn)”至“空載”流程后發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置報(bào)“差流啟動(dòng)”，機(jī)組事故停機(jī)。維護(hù)人員在發(fā)電機(jī)互感器柜處測(cè)量定子帶電纜對(duì)地絕緣電阻為零，經(jīng)檢查，電纜沒有問題，初步判斷定子繞組可能存在缺陷。為盡快判明故障類型并查找出故障點(diǎn)，在將發(fā)電機(jī)定子引出線和中性點(diǎn)拆開后搖測(cè)定子繞組A相和C相絕緣電阻為零;又將發(fā)電機(jī)上游側(cè)端蓋拆除，發(fā)現(xiàn)定子引出線接頭下部位置有明顯的燒壞痕跡，繞組內(nèi)部油污、碳粉附著較嚴(yán)重(圖2)，定子機(jī)座下部積油嚴(yán)重。經(jīng)判斷，定子A、C兩相擊穿短路部位位于線圈端部綁扎部分正X偏正Y30°(順?biāo)鞣较?。經(jīng)解體后檢查未發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子有劃痕。

圖2 3號(hào)發(fā)電機(jī)定子線圈燒毀情況

3 故障產(chǎn)生原因分析

分析發(fā)電機(jī)定子線圈燒毀的原因需先了解發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、各部功能原理以及其是否曾經(jīng)出現(xiàn)過類似問題。

3．1 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

機(jī)組為臥式水平結(jié)構(gòu)布置方式，發(fā)電機(jī)為高速凸極同步發(fā)電機(jī)，從上游至下游主要部件依次為集電環(huán)、前軸承、定轉(zhuǎn)子及冷卻器、后軸承、制動(dòng)閘。轉(zhuǎn)子兩端設(shè)置座式滑動(dòng)軸承，共同承擔(dān)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量，每個(gè)軸承油池深約350mm，軸承與轉(zhuǎn)子相鄰端部?jī)H約200～300mm，整個(gè)發(fā)電機(jī)的正反推力負(fù)荷由設(shè)于增速器齒輪箱內(nèi)的正反推力軸承承受。發(fā)電機(jī)采用開啟式通風(fēng)和外供水冷卻方式。

3．2 發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻原理

發(fā)電機(jī)采用開啟式自循環(huán)混合式通風(fēng)原理。轉(zhuǎn)子磁軛兩端各安裝了16只依靠轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生風(fēng)力的螺旋槳式風(fēng)扇用于軸向通風(fēng)，風(fēng)的流向?yàn)槔滹L(fēng)經(jīng)設(shè)置于磁極端部的螺旋槳式風(fēng)扇加壓后軸向進(jìn)入轉(zhuǎn)子磁極間并與轉(zhuǎn)子磁極旋轉(zhuǎn)壓頭串聯(lián)，與吹拂磁極線圈后的風(fēng)共同進(jìn)入氣隙，再經(jīng)過定子通風(fēng)溝后由鐵芯背部流出并在定子機(jī)座內(nèi)部旋轉(zhuǎn)后到達(dá)空氣冷卻器入口，經(jīng)兩個(gè)空氣冷卻器冷卻后的冷風(fēng)進(jìn)入發(fā)電機(jī)豎井構(gòu)成完整的循環(huán)風(fēng)路。發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)風(fēng)流向見圖3。

3．3 集電環(huán)

集電環(huán)直徑為500mm，線速度為19．625m/ s，共布置了22只摩根NCC634碳刷。

3．4 定子線圈曾經(jīng)出現(xiàn)過的故障

2013年3月，在定子繞組做直流耐壓及泄漏試驗(yàn)時(shí)繞組端部+Y方向曾出現(xiàn)過放電擊穿現(xiàn)象，廠家對(duì)該部位進(jìn)行了重新包扎。

3．5 定子線圈燒毀的原因

從發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理和通風(fēng)冷卻原理可以看出:發(fā)電機(jī)前后軸承座油池較淺、容積較小，機(jī)組運(yùn)行期間極易產(chǎn)生油霧，且軸承未設(shè)置消除油霧或阻礙油霧外泄的裝置;機(jī)組停機(jī)制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)閘與制動(dòng)環(huán)摩擦產(chǎn)生粉末，制動(dòng)閘沒有粉末回收裝置;機(jī)組高速運(yùn)轉(zhuǎn)下，碳刷與集電環(huán)摩擦產(chǎn)生碳粉，集電環(huán)也沒有碳粉回收裝置，部分油霧、碳粉等污物隨機(jī)組冷卻風(fēng)進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)部而污染定、轉(zhuǎn)子線圈。由于該類型發(fā)電機(jī)尺寸較小，無法在日常定期維護(hù)工作中清掃定、轉(zhuǎn)子上附著的油污和碳粉，隨著時(shí)間的推移，污染物不斷侵蝕定子線圈絕緣，使其絕緣水平逐漸下降，在停機(jī)熱備用26．5h后機(jī)組開機(jī)、定子升壓過程中，故障點(diǎn)絕緣外部的電位接近或等于導(dǎo)線電位，此時(shí)，處于高電位的不同相引線間即開始放電，直至發(fā)生A、C兩相絕緣被擊穿并短路的故障。由于該定子線圈先后兩次出現(xiàn)放電擊穿和燒毀事件，因此，初步判斷本次線圈燒毀的另一個(gè)可能的原因是定子線圈局部絕緣薄弱。由于解體檢查時(shí)未發(fā)現(xiàn)定、轉(zhuǎn)子有劃痕，故在故障原因分析時(shí)沒有再考慮異物(包括磁性異物)破壞絕緣的情況。

圖3 發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)風(fēng)流向示意圖

4 處理措施

4．1 3號(hào)發(fā)電機(jī)的故障處理情況

(1)定子線圈的故障處理情況。原計(jì)劃采用備品線圈更換燒壞的定子線圈。但在實(shí)施過程中因定子線圈油污、碳粉污染較嚴(yán)重等原因，廠家最終決定更換全部定子線圈。

(2)發(fā)電機(jī)其余部位的故障處理情況。

①將硬度稍低的MorganNCC634碳刷更換成硬度略高的SchunkE468碳刷，以減少摩擦產(chǎn)生的碳粉數(shù)量。兩種碳刷相關(guān)性能參數(shù)見表2。

表2 碳刷性能參數(shù)對(duì)比表

②在集電環(huán)與制動(dòng)閘處均增設(shè)了吸碳粉裝置，用于收集碳刷與集電環(huán)摩擦產(chǎn)生的碳粉和制動(dòng)閘與制動(dòng)環(huán)摩擦產(chǎn)生的金屬粉末，防止其進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)部。

③將發(fā)電機(jī)前后軸承座的油池深度擴(kuò)大了一倍，增加了油池容積，加大了排油管路直徑，減少了油霧的產(chǎn)生。

④在前后軸承增設(shè)了氣密封油擋，用于防止油霧外泄隨冷卻風(fēng)進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)部。

4．2 對(duì)其余發(fā)電機(jī)進(jìn)行預(yù)控處理的方法和工藝要求

(1)定子線圈預(yù)控處理采用的方法和工藝要求。

我廠其余3臺(tái)發(fā)電機(jī)受油和碳粉污染的情況與3號(hào)機(jī)組類似。為防止污染物影響發(fā)電機(jī)絕緣而釀成類似3號(hào)發(fā)電機(jī)的故障，必須立即對(duì)發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子進(jìn)行全面的清洗，使發(fā)電機(jī)絕緣性能處于良好狀態(tài)。處理方法和工藝要求如下:

①拆卸發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子與外部的連接，并將其運(yùn)至整潔的工作場(chǎng)地分離、固定。

②測(cè)試發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子絕緣參數(shù)并記錄。

③選用清洗劑時(shí)，盡量選用不易燃、刺激性小、清洗后揮發(fā)完全、無殘留的帶電清洗劑。施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)遠(yuǎn)離火源，防靜電，做好防火、通風(fēng)等安全措施，施工人員應(yīng)戴具有防護(hù)功能的口罩、眼鏡和手套。

④將氣動(dòng)噴槍的一端接入0．4～0．6MPa的壓縮空氣，將發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子表面的碳粉等污物吹掉，然后用氣動(dòng)噴槍吸入帶電清洗劑，分別對(duì)定子和轉(zhuǎn)子進(jìn)行噴射式清洗。對(duì)于油污特別嚴(yán)重的部位應(yīng)在噴射后稍等片刻，使油污充分溶解后再進(jìn)行噴洗，洗凈后用噴槍接壓縮空氣風(fēng)干。

⑤仔細(xì)檢查定、轉(zhuǎn)子表面有無絕緣碳化等異?，F(xiàn)象，若發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的處理。

⑥使用電氣設(shè)備防潮、防腐蝕絕緣保護(hù)劑對(duì)發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子進(jìn)行噴涂、風(fēng)干，將受潮部位水分驅(qū)除，恢復(fù)絕緣電阻值。

⑦再次測(cè)試發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子絕緣參數(shù)應(yīng)不低于清洗之前的數(shù)據(jù)并記錄。必要時(shí)，可對(duì)發(fā)電機(jī)定子進(jìn)行泄漏電流和直流耐壓試驗(yàn)，進(jìn)一步檢查發(fā)電機(jī)定子絕緣水平。

(2)其余機(jī)組發(fā)電機(jī)的其余部位處理要求同3號(hào)機(jī)組。

5 結(jié)語

在低水頭、大流量水力發(fā)電機(jī)組中，豎井貫流式與燈泡貫流式機(jī)組相比具有發(fā)電機(jī)尺寸小、重量輕、投資少和檢修維護(hù)方便以及水頭更低等優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)外有限的清潔能源——水電資源開發(fā)中，超低水頭豎井貫流式機(jī)組的運(yùn)用在一定時(shí)期內(nèi)必將成為主流。小龍水電站首次試驗(yàn)應(yīng)用的豎井貫流式機(jī)組發(fā)電機(jī)定子線圈燒毀的原因和誘因是多方面的，有些缺陷可能還沒有暴露出來，亦有可能是致命的。因此，加強(qiáng)對(duì)此類機(jī)組全方位的監(jiān)測(cè)，正確面對(duì)所遇到的各種缺陷和技術(shù)難題，與設(shè)備設(shè)計(jì)制造廠家一道，舉一反三，認(rèn)真分析，著力解決并不斷總結(jié)完善，從設(shè)計(jì)與制造上及時(shí)運(yùn)用總結(jié)完善的成果，填補(bǔ)和完善超低水頭電站豎井貫流式機(jī)組的空白。

TV7;TV738;TV734

B

1001-2184(2014)01-0101-04

賀文靜(1976-)，男，四川簡(jiǎn)陽人，總經(jīng)理，高級(jí)工程師，從事航電樞紐技術(shù)與管理工作;

(責(zé)任編輯:李燕輝)

2014-07-09

黃智雄(1980-)，男，四川南充人，副總工程師，工程師，從事航電樞紐技術(shù)與管理工作．