摘要：分析了南津渡水電站燈泡貫流式機組定子線(xiàn)棒絕緣劣化導致接地事故的原因，提出了發(fā)電機絕緣劣化問(wèn)題的解決和處理辦法。

　　關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機定子絕緣器件事故處理設備維修

　　1機組概況

　　湖南省南津渡水電站機組是20世紀80年代末從奧地利ELIN公司引進(jìn)的燈泡貫流式機組，裝機3臺，單機容量為20MW.發(fā)電機定子直徑2.43m，F級絕緣，定子繞組為分數槽雙層波繞組；定子線(xiàn)棒主絕緣采用粉氧云母為基礎、環(huán)氧樹(shù)脂為膠粘劑、玻璃纖維補強的熱固性復合絕緣材料，主絕緣單邊厚度2.7mm，線(xiàn)棒與槽壁、槽底、槽楔板、層間半導體隔板間空隙采用注入半導體硅橡膠填充（與國內通常用半導體墊條方式不同）。定子采用貼壁結構，直接固定在燈泡體外殼上。定子鐵芯內部無(wú)通風(fēng)道，利用燈泡體外壁作為定子散熱面，直接將熱量傳導給燈泡體外流過(guò)的河水中。發(fā)電機冷卻方式為密閉式水循環(huán)強迫風(fēng)冷。一次冷卻系統為密閉空氣冷卻系統，由位于燈泡頭內4臺4kW的軸流風(fēng)機將風(fēng)向水空冷卻器冷卻，冷卻后的風(fēng)經(jīng)過(guò)轉子輪轂上的5個(gè)（單側）軸向通風(fēng)孔到達定子下游側，再經(jīng)轉子極靴間間隙和氣隙到達定子上游側，再后回到風(fēng)機。二次冷卻系統為水空冷卻器，采用密閉循環(huán)，由燈泡頭外河水經(jīng)燈泡頭內冷卻套冷卻水空冷卻器產(chǎn)生的熱水。

　　2定子燒損情況

　　2.1定子線(xiàn)棒絕緣擊穿

　　南津渡水電站機組先后發(fā)生了3次定子線(xiàn)棒絕緣擊穿的定子接地故障。首次發(fā)生于1999年6月3日，1號機組在并網(wǎng)并帶滿(mǎn)負荷時(shí)，突然發(fā)生定子接地保護動(dòng)作停機，后經(jīng)檢查發(fā)現，定子198槽上層線(xiàn)棒（B相）緊靠上游側槽口處被擊穿（擊穿點(diǎn)位于槽內）。在處理過(guò)程中，發(fā)現事故線(xiàn)棒靠近擊穿位置約4/5線(xiàn)棒全長(cháng)處已呈白色，防暈層完全破壞，主絕緣電腐蝕現象嚴重，而下游側段線(xiàn)棒從槽口處起有30～40cm長(cháng)的線(xiàn)棒直線(xiàn)段防暈層沒(méi)有受損且未發(fā)生電腐蝕。2001年7月，亦是1號機組213槽（B相）上層線(xiàn)棒靠近上游側槽口處發(fā)生擊穿。2003年6月19日，2號發(fā)電機定子222槽下層線(xiàn)棒上游側槽口擊穿。后兩次定子接地事故與第一次類(lèi)似。

　　2.2定子線(xiàn)棒連接部件多次開(kāi)焊燒斷

　　南津渡水電站發(fā)電機定子線(xiàn)棒端部接頭采用對接錫焊焊接（ELIN公司自為南津渡生產(chǎn)完機組后已不再使用這種工藝）。1、2、3號發(fā)電機在2002年和2003年先后發(fā)生定子端部連接部件接頭焊接處燒斷開(kāi)焊3次，事故發(fā)生點(diǎn)均處于發(fā)電機上游側。其中2003年6月19日在2號機事故中同時(shí)發(fā)現一定子線(xiàn)棒接頭的絕緣并頭套有嚴重燒損現象，拆除后發(fā)現該接頭已部分脫焊，焊錫流出焊口，由于及時(shí)發(fā)現未造成事故。

　　2.3線(xiàn)棒電腐蝕嚴重

　　2001年機組運行中發(fā)現有臭氧氣味，特別是2號機臭氧氣味強烈。對2號機檢查發(fā)現線(xiàn)棒上游側槽部及槽口處電腐蝕（即電劣化）嚴重。上游側1／3線(xiàn)棒段有白色粉狀物，1／5槽口處槽壁有黑點(diǎn)、毛刺、啃齒，槽楔松動(dòng)，硅橡膠老化；下游側線(xiàn)棒未見(jiàn)異常。上游側部分線(xiàn)棒與槽壁間普遍存在0.3～1mm間隙，線(xiàn)棒有松動(dòng)現象。在機組事故搶修中拆下的未擊穿線(xiàn)棒也可以明顯發(fā)現上游側線(xiàn)棒段電腐嚴重，填充硅橡膠老化現象，而下游側完好如初。線(xiàn)棒電腐蝕嚴重部位為時(shí)鐘10至2點(diǎn)鐘區間，該部位為各相繞組高電位處。其它兩臺機也有類(lèi)似現象。

　　3定子燒損主要原因

　　3.1定子線(xiàn)圈槽絕緣結構設計存在缺陷

　　查ELIN公司圖紙，定子線(xiàn)棒寬16.3mm，其中股線(xiàn)寬10.9mm，主絕緣2.7mm；定子槽寬為17mm（沖片），槽形寬16.6mm，疊片公差雙邊0.4mm（單邊0.2mm）：槽襯寬0.4mm，加線(xiàn)棒寬為16.7mm，與槽形裝配在寬度方向上有0.1mm的過(guò)盈，但與沖片寬有0.3mm的間隙：線(xiàn)棒與槽壁間充填硅橡膠0.2mm，雙邊0.4mm.

　　通過(guò)上述數據發(fā)現，假若疊片質(zhì)量很好，則0.4mm的雙邊公差就偏大。線(xiàn)棒下線(xiàn)公差0.3mm，特別是采用液壓成型工藝的，線(xiàn)棒本身公差就較大。合計兩部分公差后，在槽壁與線(xiàn)棒之間間隙最大可達0.6mm以上。由于槽壁與線(xiàn)棒間間隙較大，兩者之間電位差較大，易產(chǎn)生局放電現象，長(cháng)時(shí)間作用下，可造成線(xiàn)棒絕緣燒損劣化，表現為槽部電腐蝕。南津渡水電站發(fā)現的定子槽部有白色粉狀物，運行中產(chǎn)生臭氧等，應是長(cháng)期局部放電所致。由機組10至2點(diǎn)鐘區間線(xiàn)棒處于各相高電位區，線(xiàn)棒與槽壁電位差較其它區域要大，局部放電更為嚴重，從而導致此處電腐蝕最嚴重。線(xiàn)棒主絕緣單邊僅2.7mm，屬超薄型絕緣，雖技術(shù)比較先進(jìn)，但不足的是：在線(xiàn)棒換位處對地絕緣更薄，生產(chǎn)加工中在個(gè)別換位處形成絕緣層過(guò)薄是可能的。在換位處，若存在長(cháng)期電腐蝕，絕緣被擊穿的可能性更大。

　　3.2冷卻系統散熱能力不足

　　3臺發(fā)電機事故點(diǎn)及電腐蝕嚴重區域都處于定子線(xiàn)棒上游側段，而線(xiàn)棒下游側段無(wú)異常，說(shuō)明事故及線(xiàn)棒燒損的區域存在規律性。從事故及線(xiàn)棒燒損區域可以發(fā)現其處于冷卻風(fēng)道的后段，而冷卻風(fēng)在此段溫度已升高，冷卻能力相對下降，此區域為定子高溫區域。由于在常溫附近電介質(zhì)的熱劣化隨溫度升高而劣化作用加大、劣化速度加快，因此這個(gè)區域絕緣劣化速度比其區域快且強烈，造成事故和燒損集中于此區域發(fā)生。同樣，若定子端部焊接有缺陷而導致發(fā)熱時(shí)，則上游側開(kāi)焊事故機率遠大于下游側。造成風(fēng)冷系統冷卻能力不足的原因有：1）由于設計缺陷造成局部放電較為強烈，對定子發(fā)熱量和溫升估計不足；2）冷卻系統設計有缺陷。由概況介紹中可知，定子內未設計通風(fēng)道，定子鐵芯內部散熱不夠，造成熱量積累。因冷卻風(fēng)量不足，導致冷卻風(fēng)在風(fēng)道后段溫度過(guò)高；3）冷卻風(fēng)到達風(fēng)道末段后，有風(fēng)機的強迫抽取作用，由轉子磁極間隙和氣隙流出的氣流直接被風(fēng)機抽走，上游側定子端部與燈泡體間局部范圍內氣流量很小，加上冷卻風(fēng)溫度升高等因素使得上游側定子端部冷卻條件差。

　　3.3機械力作用加劇絕緣破壞

　　發(fā)電機定子線(xiàn)圈在運行中一旦松動(dòng)，在機械振動(dòng)和電磁振動(dòng)作用下會(huì )使主絕緣磨損，造成線(xiàn)圈損壞引起短路和接地故障。檢查中發(fā)現上游側線(xiàn)棒與槽壁間有0.3～1mm間隙，線(xiàn)棒松動(dòng)，可以斷定存在振動(dòng)損傷主絕緣的危害。由于機組線(xiàn)棒振動(dòng)最劇烈的部位是線(xiàn)棒的端部，使得線(xiàn)棒的槽口段破壞加速，在槽口發(fā)生事故機率比在槽內大得多。因此可以很好地解釋為什么事故都發(fā)生在線(xiàn)棒槽口。分析發(fā)電機線(xiàn)棒松動(dòng)的主要原因有：1）上游側線(xiàn)圈、槽楔及槽內各間隙填充的硅橡膠等長(cháng)期處于高溫運行中，逐漸收縮；2）3.1所述疊片公差過(guò)大等結構設計缺陷；3）長(cháng)期的局部放電造成絕緣層及硅橡膠的收縮和劣化。

　　3.4運行環(huán)境不良

　　燈泡貫流式機組最大的特點(diǎn)是整個(gè)機組浸于水下，外殼四周充滿(mǎn)河水，機組結構緊湊且封閉。當機殼內溫度高于河水，且空氣濕度較大時(shí)（我國南方天氣正有這個(gè)特點(diǎn)），就很容易在機殼內腔結露。這種結露在運行中較難發(fā)生且影響不大，一旦停機時(shí)間較長(cháng)，就可能結露使發(fā)電機受潮，大大降低了發(fā)電機的絕緣。ELIN公司的機組設計有防結露設施，但效果不佳，經(jīng)常在機組停機時(shí)，發(fā)現有結露現象。另外，由于電站直供了幾家冶煉廠(chǎng)和化工廠(chǎng)的電力，而這些廠(chǎng)家未對其所產(chǎn)生的工業(yè)諧波加以治理。經(jīng)權威部門(mén)測試發(fā)現，諧波指標嚴重超標，超標諧波主要有3、5、7、11次。這些諧波直接侵入機組，加大了發(fā)電機的附加損耗，對發(fā)電機絕緣劣化也有一定作用。

　　分析上述幾方面原因，其中線(xiàn)棒絕緣設計缺陷和冷卻系統冷卻能力不足是造成事故和線(xiàn)棒燒損的內在因素，機械破壞作用和不良運行環(huán)境加速和加劇了事故和線(xiàn)棒燒損的形成。

　　4對策

　　4.1改造定子繞組

　　由于故障與槽絕緣結構和引出線(xiàn)接頭等設計不合理有很大關(guān)系，在國內尋找替代廠(chǎng)商進(jìn)行優(yōu)化設計，逐步更換定子繞組。通過(guò)改變槽內絕緣結構，改進(jìn)線(xiàn)棒端部接頭焊接結構，改變焊接工藝（如采用銀銅焊）等，從內在結構上消除或減弱故障產(chǎn)生內因。

　　4.2改造發(fā)電機冷卻系統

　　由于冷卻能力存在不足，因此有必要對冷卻系統進(jìn)行改造。因定子改造短期內難以實(shí)現，考慮到更換部分燒損嚴重的線(xiàn)棒和加固松動(dòng)的線(xiàn)棒后，發(fā)電機在運行條件良好的情況下還能正常運行，應先改造冷卻系統，以少的投入，使機組產(chǎn)生最大效益。主要改造措施：1）增大風(fēng)機容量或增加風(fēng)機，加大通風(fēng)量；2）改造或增加水空冷卻器，增強其冷卻能力；3）改變冷卻風(fēng)流向，將風(fēng)向逆轉，改由從定子上游側注入，改善上游側線(xiàn)棒的冷卻性能，延長(cháng)線(xiàn)棒使用壽命；4）改變風(fēng)向后在定子下游側增加離心風(fēng)扇，改善下游側端部散熱性能。

　　4.3加強對機組的監測

　　增加在線(xiàn)監測設備，對機組運行情況及時(shí)掌握。特別是要增加測溫設施，在定子兩端增加測溫設施，加上原有定子中部的測溫裝置，對運行中的定子溫度進(jìn)行監測比較；增加冷卻風(fēng)道末端風(fēng)的溫度監測設施，對冷卻風(fēng)首端風(fēng)和末端風(fēng)的溫度進(jìn)行監測比較。

　　4.4改善發(fā)電機運行環(huán)境

　　先是要治理好工業(yè)諧波（目前已完成）。再是要降低機組結露的危害。為減輕結露對機組的影響，在原有的基礎上增加三臺除濕機，有效降低空氣濕度。在機組停機時(shí)間較長(cháng)后，對機組采取一定的干燥措施。

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