王聲學(xué)

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現(xiàn)場(chǎng)拆裝TBB-1000-2Y3型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)用感應(yīng)加熱電源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王聲學(xué)

（中核集團(tuán)江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042）

某核電站一期工程汽輪發(fā)電機(jī)為圣彼得堡電力工廠生產(chǎn)的TBB-1000-2Y3型隱極式同步發(fā)電機(jī)。該型號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子自2007年投入商運(yùn)以來(lái)，出現(xiàn)絕緣問(wèn)題較多。文中對(duì)轉(zhuǎn)子繞組絕緣缺陷處理的前期準(zhǔn)備，即從護(hù)環(huán)的拆裝方法、電源的選取設(shè)計(jì)等入手進(jìn)行了介紹。設(shè)計(jì)了一種全新單相全絕緣變壓器解決了核電站現(xiàn)場(chǎng)無(wú)拆裝護(hù)環(huán)用非標(biāo)電源的技術(shù)難題，同時(shí)總結(jié)了感應(yīng)加熱法的經(jīng)驗(yàn)，供相關(guān)人員參考。

隱極式同步發(fā)電機(jī)；轉(zhuǎn)子；護(hù)環(huán)；感應(yīng)加熱法

0 前言

中核集團(tuán)某核電站一期工程汽輪發(fā)電機(jī)為圣彼得堡電力工廠生產(chǎn)的TBB-1000-2Y3型俄供隱極式同步發(fā)電機(jī)，主要參數(shù)見表1。該型號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子自該核電站2007年投入商運(yùn)以來(lái)，一直存在絕緣波動(dòng)現(xiàn)象，出現(xiàn)絕緣問(wèn)題較多，運(yùn)行中最低絕緣電阻僅為0.509MΩ，接近制造廠允許正常值0.5MΩ的標(biāo)準(zhǔn)要求[1,2]。甚至在T104大修期間，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)子繞組1000V交流耐壓試驗(yàn)未通過(guò)的現(xiàn)象。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)絕緣缺陷時(shí)，就需要拆除護(hù)環(huán)并進(jìn)行檢修處理。

表1 某核電站一期工程發(fā)電機(jī)參數(shù)

1 拆裝轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)的加熱方法

轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)是采用熱套的方法安裝到轉(zhuǎn)子上的，所以拆裝護(hù)環(huán)時(shí)也需要采用對(duì)護(hù)環(huán)加熱的方法。發(fā)電機(jī)護(hù)環(huán)拆裝加熱的方法主要有明火加熱法、電熱絲加熱法和感應(yīng)加熱法[1]。

明火加熱法是采用乙炔火把的形式對(duì)護(hù)環(huán)進(jìn)行加熱。對(duì)操作人員技能要求較高，需要保證加熱均勻。對(duì)于大型機(jī)組，由于護(hù)環(huán)較厚，同時(shí)表面積也較大，很難做到表面加熱均勻，且明火加熱法對(duì)護(hù)環(huán)存在較大的損傷風(fēng)險(xiǎn)，因此該方法不適用于大型機(jī)組。

電熱絲加熱法是采用在護(hù)環(huán)表面覆蓋電熱絲的方法進(jìn)行加熱。該加熱法同樣是在護(hù)環(huán)表面進(jìn)行加熱，采用熱傳導(dǎo)的原理將熱量傳遞到護(hù)環(huán)內(nèi)部，因此對(duì)于大型機(jī)組也存在護(hù)環(huán)表面溫度已經(jīng)很高，而內(nèi)部溫度卻達(dá)不到要求的問(wèn)題。

感應(yīng)加熱法利用的是導(dǎo)體內(nèi)渦流損耗發(fā)熱的原理，即在護(hù)環(huán)表面纏繞一組鋼性或撓性感應(yīng)線圈[3]，當(dāng)線圈中通入交變電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生交變的電磁場(chǎng)。交變的電磁場(chǎng)會(huì)在護(hù)環(huán)上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而產(chǎn)生渦流損耗，護(hù)環(huán)溫度逐漸升高。該法加熱均勻，對(duì)護(hù)環(huán)的損傷較小。

由上述分析可知，明火加熱法和電熱絲加熱法均不適用于TBB-1000-2Y3型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)的加熱拆裝。對(duì)于感應(yīng)加熱法，鋼性加熱線圈可以避免纏繞線圈過(guò)程，適用于經(jīng)常性的拆裝護(hù)環(huán)場(chǎng)合，因此在電機(jī)制造廠應(yīng)用較多；對(duì)于電廠，則撓性加熱線圈較適用[3]。

對(duì)于感應(yīng)加熱法，護(hù)環(huán)中渦流滲透深度的計(jì)算公式通常用式（1）表示[4]：

式中：——常數(shù)，為5.033；

——頻率，Hz；

μ——護(hù)環(huán)的相對(duì)磁導(dǎo)率。

TBB-1000-2Y3型機(jī)組轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)參數(shù)見表2。將參數(shù)代入式（1）計(jì)算可得，感應(yīng)渦流在護(hù)環(huán)中滲透的深度為56.78～63.66mm，小于護(hù)環(huán)厚度95.65mm。可見感應(yīng)線圈產(chǎn)生的渦流損耗主要集中在護(hù)環(huán)外表面至約2/3位置，不會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子端部繞組產(chǎn)生影響。因此，感應(yīng)加熱法適用于TBB-1000-2Y3型機(jī)組轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)的加熱。

表2 TBB-1000-2Y3型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)參數(shù)

2 護(hù)環(huán)用加熱電源的選擇與設(shè)計(jì)

2.1 加熱電源方案的選擇

表3為廠家提供的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)拆裝參數(shù)要求。根據(jù)廠家要求，護(hù)環(huán)的拆裝時(shí)間要求為40~50min，若采用感應(yīng)加熱法拆裝發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)則需要電壓125V左右，容量不小于160kVA的大容量電源，但是電站現(xiàn)場(chǎng)汽輪發(fā)電機(jī)廠房無(wú)滿足此條件的檢修電源。

表3 TBB-1000-2Y3型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)拆裝參數(shù)要求

核電站廠用電系統(tǒng)有6kV和0.4kV兩個(gè)電壓等級(jí)，6kV母線電壓一般達(dá)到6.3kV。經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電源的篩選，能夠滿足容量需求，且方便使用的只有從6kV正常段（BBA/BBB/BBC/BBD）備用柜取用。因此，可通過(guò)變壓器將可靠段6.3kV電壓降低使用。

由于拆裝護(hù)環(huán)工期緊，前期通過(guò)改造一臺(tái)10kV箱變作為臨時(shí)加熱電源滿足護(hù)環(huán)的拆裝作業(yè)[6]?？紤]到利用該箱變進(jìn)行護(hù)環(huán)拆裝存在諸多不便，因此需要設(shè)計(jì)一臺(tái)非標(biāo)變壓器以滿足處理轉(zhuǎn)子絕緣缺陷的需求。

2.2 非標(biāo)變壓器的設(shè)計(jì)

依據(jù)《電力變壓器選用導(dǎo)則》（GB/T 17468-2008）[6]和《干式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》（GB/T 10228-2008）[7]規(guī)定，對(duì)部分技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了確定[8]。初步設(shè)計(jì)干式變壓器高壓側(cè)額定電壓為6.3kV，高壓側(cè)分接范圍為±2×2.5%，短路阻抗k%為4%，頻率50Hz。

在箱變改造方案護(hù)環(huán)加熱過(guò)程中，當(dāng)線圈纏繞25匝，施加電壓為125～135V之間時(shí)，無(wú)論是拆卸還是回裝，護(hù)環(huán)加熱效果較好，此時(shí)功率因數(shù)在0.5～0.6之間，總功率最高時(shí)接近190kVA[5]。則可以據(jù)此為參照來(lái)設(shè)計(jì)該非標(biāo)變壓器，考慮留有裕度，并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB1094.1-1996《電力變壓器》[9](現(xiàn)已由GB 1094.1-2013[10]代替)第1部分總則規(guī)定的額定容量值R10系列，容量設(shè)計(jì)為250kVA。標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10228-2008規(guī)定該容量變壓器負(fù)載損耗k為3250W[7]。

取變壓器二次側(cè)額定電壓為130V，則變壓器歸算到二次側(cè)漏抗為[11]：

變壓器二次側(cè)電流為：

變壓器二次側(cè)短路電阻為：

由于感應(yīng)加熱線圈為感性負(fù)載，電流滯后電壓，功率因數(shù)在0.5～0.6之間。取功率因數(shù)為0.55，則=56.6°。變壓器一次側(cè)和二次側(cè)都有漏阻抗。當(dāng)負(fù)載電流通過(guò)時(shí)必然會(huì)在這些漏阻抗上產(chǎn)生壓降，利用T、k、k結(jié)果，以拆裝護(hù)環(huán)時(shí)工作電流1350A計(jì)算，則變化率為[12-13]：

△%=2.8% （5）

變壓器二次側(cè)壓降為：

1=130V×2.8%=3.6V （6）

考慮到變壓器自身壓降3~4V，可將二次繞組額定電壓設(shè)計(jì)為133V，即額定電壓設(shè)計(jì)為6.3kV/133V±2×2.5%。當(dāng)工作電流取1200～1500A中間值1350A時(shí)，修改參數(shù)后的變壓器二次側(cè)壓降為3.8V。

因此，依據(jù)上述計(jì)算的參數(shù)及干式電力變壓器標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)組合式變電站系統(tǒng)圖如圖1所示[14]。

圖1 組合式變電站系統(tǒng)圖

（H-高壓側(cè)；TM-變壓器；L-低壓側(cè)；TA-電流互感器；PA-電流表；PV-電壓表；SQ-帶電指示器；QL-高壓真空負(fù)荷開關(guān)；QF-低壓斷路器）

考慮到6kV系統(tǒng)停送電需要由運(yùn)行人員操作，不便于變壓器在護(hù)環(huán)加熱前進(jìn)行控制回路的調(diào)試，因此在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到電站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用汽輪機(jī)廠房UMA16m 220V交流電源作為變電站控制回路電源，原理圖如圖2所示。

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[15,16]對(duì)變壓器進(jìn)行出廠試驗(yàn)和交接驗(yàn)收試驗(yàn)，試驗(yàn)實(shí)際測(cè)定短路阻抗為4.4%，負(fù)載總損耗3290W。忽略電壓變比偏差，功率因數(shù)依然取0.55，工作電流取1350A，則二次側(cè)壓降為4.2V。

已利用該變電站完成多次護(hù)環(huán)的拆裝工作。表4中數(shù)據(jù)為2016年1號(hào)機(jī)組T109大修護(hù)環(huán)拆裝記錄數(shù)據(jù)，變壓器工作在主分接（3分接，電壓比誤差+0.2%）。

圖2 變壓器控制回路電源進(jìn)線原理圖

表4 2016年1號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)大修護(hù)環(huán)拆裝加熱數(shù)據(jù)

由表4中數(shù)據(jù)可以看出，實(shí)際壓降與計(jì)算壓降基本吻合，加熱時(shí)間和電流均滿足護(hù)環(huán)廠家技術(shù)文件要求。護(hù)環(huán)拆裝最重要的參數(shù)是在規(guī)定的40～50min內(nèi)達(dá)到拆裝溫度要求。時(shí)間過(guò)短，會(huì)導(dǎo)致護(hù)環(huán)外層溫度急劇變化，造成內(nèi)外溫度不均，無(wú)法拆裝護(hù)環(huán)；時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子本體端部受熱膨脹，亦無(wú)法完成護(hù)環(huán)拆裝。對(duì)加熱時(shí)間的控制主要通過(guò)調(diào)節(jié)電壓、電流及線圈匝數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

感應(yīng)加熱電源是利用改造的10kV箱變多次拆換護(hù)環(huán)作業(yè)的基礎(chǔ)上總結(jié)與設(shè)計(jì)的。利用設(shè)計(jì)的加熱電源已完成十余次護(hù)環(huán)拆裝作業(yè)。通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)的多次拆裝，總結(jié)了以下經(jīng)驗(yàn)，可供相關(guān)電廠維修技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拆裝護(hù)環(huán)時(shí)參考。

（1）對(duì)于TBB-1000-2Y3型發(fā)電機(jī)，在實(shí)際加熱時(shí)，電壓控制在130V左右（125～135V）加熱效果較好。

（2）感應(yīng)加熱電纜纏繞在護(hù)環(huán)兩側(cè)的線匝要緊密，中間線匝之間保留20～25 mm的間隙。具體纏繞匝數(shù)可根據(jù)電流大小進(jìn)行適量調(diào)節(jié)，一般纏繞25匝時(shí)效果較好，纏繞一層后多出的匝數(shù)應(yīng)纏繞在護(hù)環(huán)靠轉(zhuǎn)子本體側(cè)，如圖3所示。

圖3 感應(yīng)加熱電纜纏繞圖

（3）護(hù)環(huán)與電纜間纏繞5mm厚隔熱石棉，在石棉與護(hù)環(huán)間埋設(shè)測(cè)溫用探頭，測(cè)溫儀器量程不低于400℃。加熱過(guò)程中每隔5min記錄一次加熱電壓、電流和護(hù)環(huán)溫度，同時(shí)要不定時(shí)地用紅外熱像儀進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，直至達(dá)到護(hù)環(huán)拆裝所需條件，并開始護(hù)環(huán)拆裝作業(yè)為止。

（4）感應(yīng)加熱用電纜為通水電纜，保證冷卻水壓在0.147～0.196MPa即可。在加熱前，要先通入冷卻水，且在加熱過(guò)程中冷卻水須連續(xù)，加熱完成后要繼續(xù)通入冷卻水，直至電纜降至正常溫度。

[1] 王聲學(xué), 鄒曉, 申雁鵬,等. TBB-1000型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組絕緣缺陷的處理與分析[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2013(4):17-20.

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DesignandApplication for Induction Heating Power Source Used to Remove and Reinstall Rotor Retaining Ring of Generator TBB-1000-2Y3 on Site

WANG Shengxue

(CNNC Jiangsu Nuclear Power Corporation, Lianyungang 222042, China)

The non-salient pole synchronous generators of first-stage project of a Nuclear Power Station is type TBB-1000-2Y3 made by Russia. This type rotor winding occurs insulation defects many times from 2007. This paper gives an introduction about preparation, which is the method of removing and reinstalling the retaining ring, and selection and design for the power source. A brand new single phase insulated transformer is designed, which solves the problem of removing and reinstalling the rings on Nuclear Power Station site without non-standard power source. And then, experiences about induction heating are given that can be applied as references for relative engineers.

non-salient pole synchronous generator; rotor; retaining ring; induction heating method

TM303.3

A

1000-3983(2018)03-0020-04

2017-04-11

王聲學(xué)（1981-），2008年畢業(yè)于西南交通大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，工學(xué)碩士，現(xiàn)從事核電廠電氣調(diào)試及檢修管理工作，高級(jí)工程師。