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      深溪溝電站發(fā)電機(jī)定子絕緣盒樹脂發(fā)黑原因分析及處理

      2019-11-22 08:48:56袁永智李曉飛
      陜西水利 2019年10期
      關(guān)鍵詞:溪溝線棒稀釋劑

      袁永智,李曉飛

      (國(guó)電大渡河檢修安裝有限公司,四川 樂山 614900)

      1 電站概況

      深溪溝水電站位于四川省漢源縣,為大渡河干流規(guī)劃的第十八級(jí)電站,其上一梯級(jí)為瀑布溝電站,下一級(jí)為枕頭壩電站。電站裝機(jī)四臺(tái),總裝機(jī)容量為660 MW,發(fā)電機(jī)單機(jī)輸出額定功率為165 MW。4臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組投運(yùn)日期:1#機(jī),2010年7月;2#機(jī),2010年11月;3#機(jī),2011年5月;4#機(jī),2011年6月。額定功率為165 MW,額定電壓為15.75 kV,額定轉(zhuǎn)速為90.9 r/min,額定功率因數(shù)為 0.9(滯后),額定頻率為 50 Hz,發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF165-66/13640,發(fā)電機(jī)型式為三相交流、立軸、同步、密閉循環(huán)空氣冷卻,半傘式結(jié)構(gòu);定子槽數(shù)為585,3支路波繞組;鐵心尺寸為Φ13640;定子采用現(xiàn)場(chǎng)機(jī)座把合、鐵心疊裝和繞組下線工作。

      2 故障概況

      深溪溝3F機(jī)組在運(yùn)行時(shí),發(fā)生定子線棒擊穿現(xiàn)象。處理定子線棒故障過程中,絕緣盒拆除時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣盒樹脂存在不同程度的變黑、未固化等不良情況,其中與線棒端頭或連接片緊貼位置的樹脂出現(xiàn)了焦化的現(xiàn)象,未固化的樹脂有明顯的柔軟性。

      3 絕緣盒老化分析

      絕緣盒內(nèi)樹脂老化主要有熱老化和電老化兩方面。

      3.1 熱老化

      深溪溝發(fā)電機(jī)所用絕緣盒樹脂的主要成分為E44(低分子量液態(tài)雙酚A環(huán)氧樹脂)、H4(650低分子聚酰胺)、石英粉、501稀釋劑(環(huán)氧丙烷丁基醚,是一種線型的脂肪族單環(huán)氧基稀釋劑)。其中501稀釋劑的主要作用為降低體系粘度,但它不會(huì)揮發(fā),會(huì)參與固化反應(yīng),若添加量過大,就會(huì)造成固化后體系交聯(lián)度不足,引起固化物發(fā)軟,耐熱性下降,容易老化的情況。而若添加了過量的丙酮稀釋劑,在固化過程中丙酮會(huì)隨著反應(yīng)熱的產(chǎn)生揮發(fā),造成樹脂固化后表面及內(nèi)部產(chǎn)生氣孔。固化物呈現(xiàn)松散結(jié)構(gòu),降低其耐熱性。見圖1、圖2。

      圖1 熱老化造成的絕緣發(fā)黑

      圖2 稀釋劑揮發(fā)造成的表面氣孔

      熱老化可分為兩種情況:熱老化和熱氧老化。前者是在熱量作用下發(fā)生降解反應(yīng),包含聚合物主鏈的斷裂和側(cè)基消去,表現(xiàn)為熱失重;后者是發(fā)生氧化反應(yīng),前期主要生成過氧化氫,在熱的作用下過氧化氫加速分解,產(chǎn)生自由基引發(fā)一系列反應(yīng),表現(xiàn)為材料吸氧量增加,多數(shù)材料會(huì)出現(xiàn)顏色變化。這兩種老化都會(huì)造成材料的脆化,主要和分子量變小,易于形成球晶有關(guān)。見圖3、圖4。

      圖3 典型的幾種材料熱老化機(jī)理

      圖4 熱氧老化機(jī)理

      3.2 電老化

      絕緣盒樹脂一般承受的電場(chǎng)較低,因此不會(huì)發(fā)生樹脂內(nèi)部氣孔引起的局部放電問題。但若樹脂和導(dǎo)體之間存在間隙,由于感應(yīng)電荷聚集,導(dǎo)體之間和樹脂之間會(huì)出現(xiàn)微小放電。長(zhǎng)期持續(xù)發(fā)生,也會(huì)造成樹脂的劣化。見圖5。

      圖5 與導(dǎo)體接觸位置微放電腐蝕造成絕緣小孔洞及發(fā)黑

      4 深溪溝絕緣盒發(fā)黑(老化)原因分析

      絕緣盒內(nèi)樹脂發(fā)黑(老化)包括以下幾個(gè)方面絕緣盒所用樹脂耐熱性不良、機(jī)組運(yùn)行溫度過高、線棒連接板焊接質(zhì)量不良造成溫度過高及絕緣盒內(nèi)樹脂固化不良等幾個(gè)方面。

      1)絕緣盒所用樹脂耐熱性不良

      深溪溝發(fā)電機(jī)絕緣盒樹脂采用的是成熟的三組份+稀釋劑的方案。即填充樹脂由按一定比例的“環(huán)氧:固化劑:石英粉”+施工用稀釋劑的絕緣結(jié)構(gòu)。這種絕緣方案國(guó)內(nèi)有大量的業(yè)績(jī)和試驗(yàn)證明,“三組份+稀釋劑”絕緣盒樹脂在按要求配比混合均勻固化后,其絕緣性能完全滿足要求。分析不成立。

      2)機(jī)組運(yùn)行溫度過高

      絕緣盒實(shí)際運(yùn)行過程中的實(shí)測(cè)溫度小于100℃,遠(yuǎn)未達(dá)到運(yùn)行允許的最高溫度。在此溫度下,正常絕緣盒樹脂長(zhǎng)期運(yùn)行不會(huì)出現(xiàn)發(fā)黑的劣化狀態(tài),分析不成立。

      3)線棒連接板焊接質(zhì)量不良造成溫度過高

      現(xiàn)場(chǎng)396槽上層線棒更換相關(guān)的絕緣盒拆除、端頭連接片熔開后,發(fā)現(xiàn)有未熔透現(xiàn)象,可以推測(cè)部分線棒端頭焊接不良,使絕緣盒運(yùn)行溫度升高,也是絕緣盒樹脂劣變的因素之一。絕緣盒內(nèi)部銅連接片和絕緣盒表面溫差,見表1。

      表1 絕緣盒內(nèi)部銅連接片和絕緣盒表面溫差

      由計(jì)算結(jié)果可知,繞組端部運(yùn)行溫度遠(yuǎn)低于允許溫度,此項(xiàng)原因有可能。

      4)絕緣盒內(nèi)樹脂固化不良

      由于絕緣盒在現(xiàn)場(chǎng)安裝過程中,樹脂澆注過程中使用稀釋劑過量,致使樹脂固化不良,表現(xiàn)為固化后樹脂變?yōu)閺椥泽w,未完全硬化。固化不良造成樹脂耐熱性明顯降低、粘結(jié)性降低。因?yàn)楣袒怀浞种率箻渲膶?shí)際耐熱性能降低接近運(yùn)行溫度,容易發(fā)生樹脂劣化色變。并且原絕緣盒樹脂澆注之前對(duì)線棒端頭及連接板表面氧化層清除不充分,使樹脂與導(dǎo)電體的粘接更差,運(yùn)行一段時(shí)間后樹脂與導(dǎo)體之間局部或大面積產(chǎn)生間隙,并且過量稀釋劑在樹脂與導(dǎo)體之間也會(huì)形成孔洞空隙,在機(jī)組運(yùn)行過程中,這些間隙或空隙發(fā)生微放電致使樹脂出現(xiàn)焦化甚至發(fā)黑的劣化情況。見圖 6~ 圖 9。

      圖6 2017年絕緣盒拆開殘片照片

      圖7 粘結(jié)不良造成電腐蝕發(fā)黑

      圖8 使用過量稀釋劑形成的大量氣泡

      圖9 粘結(jié)不良造成電腐蝕發(fā)黑

      從以上情況判斷,樹脂稀釋劑過量、固化不良是造成絕緣盒樹脂老化嚴(yán)重,出現(xiàn)焦化、發(fā)黑、開裂等不良情況是原先就存在的問題,而隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng),情況有所加劇。

      5 分析驗(yàn)證

      5.1 外觀觀察

      ①目的:初步判斷絕緣老化程度。②判據(jù):發(fā)黑區(qū)域樹脂(靠近導(dǎo)體部分,運(yùn)行最高溫度100℃~110℃)與未發(fā)黑的區(qū)域(靠近絕緣盒殼體部分,運(yùn)行溫度約80℃~90℃)的樹脂進(jìn)行彎曲比較。③方法:摩擦發(fā)黑區(qū)域表面,判斷是否有碳粉落下;發(fā)黑區(qū)域和未發(fā)黑區(qū)域切片后折彎判斷開裂情況。結(jié)果見圖10~圖11。

      圖10 絕緣盒變黑情況

      圖11 正常顏色與發(fā)黑絕緣膠對(duì)比

      由圖可知:發(fā)黑區(qū)域表面摩擦后未有碳粉掉落,表面未碳化;已發(fā)黑樹脂輕輕彎曲后,表面明顯開裂,未發(fā)黑絕緣彎曲后發(fā)軟但未出現(xiàn)開裂情況,表明發(fā)黑絕緣已有劣化發(fā)脆。

      5.2 表面絕緣電阻測(cè)量

      ①目的:判斷發(fā)黑情況是樹脂發(fā)生熱氧老化造成的,還是已發(fā)生碳化現(xiàn)象。②判據(jù):若發(fā)生碳化現(xiàn)象,表面絕緣電阻將明顯降低。③方法:在發(fā)黑嚴(yán)重表面、角部區(qū)域,黏貼間距10 mm的銅帶,用5 kV高壓表測(cè)量1 min后的絕緣電阻。同時(shí)測(cè)量未發(fā)黑區(qū)域的電阻值進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果見圖12~圖14。

      圖12 表面發(fā)黑區(qū)域147GΩ

      圖13 角部發(fā)黑區(qū)域146GΩ

      圖14 未黑區(qū)域608MΩ

      由圖可知:發(fā)黑區(qū)域絕緣電阻值較大,且大于未發(fā)黑區(qū)域,表明樹脂雖然發(fā)黑但并沒有造成碳化,依然為絕緣體。

      5.3 耐壓試驗(yàn)

      壓。②方法:在樹脂表面黏貼電極,在空氣中,施加工頻電壓測(cè)量耐壓水平。耐壓前后用5 kV高壓表測(cè)量絕緣體積電阻。見表2,結(jié)果見圖 15~ 圖 16。

      表2 灌注膠耐壓情況

      圖15 灌注膠耐壓后閃絡(luò)

      圖16 灌注膠耐壓后閃絡(luò)

      有圖可知:已劣化發(fā)黑樹脂有一定的絕緣耐壓水平,短期內(nèi)不會(huì)發(fā)生擊穿情況。

      5.4 熱老化

      ①目的:通過加速老化試驗(yàn),觀察未變黑樹脂老化后狀態(tài),判斷樹脂變黑是否因熱老化導(dǎo)致。②方法:將未變黑樹脂切片后,放入150℃烘箱進(jìn)行老化,一段時(shí)間后觀察外觀。放入烘箱前顏色為深黃色,150℃加熱20小時(shí)后,顏色已變成深褐色,加熱25小時(shí)后顏色已發(fā)黑,且在用鑷子加起時(shí)碎裂。

      6 絕緣樹脂調(diào)查總結(jié)

      1)通過以上調(diào)查及試驗(yàn),可以確定絕緣盒樹脂變黑主要是由于熱氧老化導(dǎo)致一定程度的劣化,但還未達(dá)到碳化的程度,依舊是絕緣體,還保持著一定的絕緣耐壓能力,可以滿足一定期限的使用要求;

      2)原絕緣盒樹脂在150℃時(shí),輕碰觸即斷裂,耐熱性達(dá)不到150℃;同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行開裂、發(fā)黑判斷,也達(dá)不到110℃~120℃下長(zhǎng)期運(yùn)行的水平;

      3)新混合樹脂按工藝要求配比,耐熱性優(yōu)于原稀釋劑添加過量的樹脂。通過本次試驗(yàn),也驗(yàn)證了在安裝時(shí)由于樹脂配比不當(dāng)(添加了過量的稀釋劑)造成了絕緣盒樹脂耐熱溫度降低、性能變差。

      7 結(jié)論

      根據(jù)對(duì)深溪溝3#發(fā)電機(jī)絕緣盒樹脂的有關(guān)測(cè)試,表明原絕緣盒樹脂的耐熱性能沒有達(dá)到要求,導(dǎo)致熱氧化而發(fā)黑,但仍有適當(dāng)?shù)哪碗妷耗芰?,并且絕緣盒的殼體本身也具有一定的絕緣能力,可以認(rèn)為在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)發(fā)電機(jī)運(yùn)行是安全的。

      但是考慮現(xiàn)在的絕緣盒樹脂已經(jīng)有一定程度的劣化,并且有相當(dāng)一部分存在樹脂與導(dǎo)體剝離、內(nèi)在裂紋等缺陷,樹脂的劣化速度在一定的程度之后會(huì)加劇。為確保深溪溝電站發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期安全運(yùn)行,建議在2年~4年內(nèi)采用新開發(fā)的耐熱、耐冷熱循環(huán)和抗熱收縮性能優(yōu)良的A/B組分樹脂進(jìn)行徹底的更換處理。

      對(duì)于各臺(tái)發(fā)電機(jī)絕緣盒更換前,建議通過抽檢絕緣盒解剖和檢測(cè)分析來確定處理的順序,樹脂絕緣狀況較好的可以稍后處理。

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