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        發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子槽絕緣位移的原因及處理

        2010-07-02 03:29:06韓英杰唐錦凡陳佰成
        大電機(jī)技術(shù) 2010年4期
        關(guān)鍵詞:形槽熱電廠南山

        韓英杰,唐錦凡,吳 莊,陳佰成

        (深圳南山熱電股份有限公司,廣東 深圳 518054)

        1 概述

        南山熱電廠1號發(fā)電機(jī)系A(chǔ)LSTOM產(chǎn)T240-370型封閉循環(huán)空冷發(fā)電機(jī),額定容量171.875MVA,額定電壓15000V,額定電流6615A,2001年投產(chǎn)。該機(jī)型屬我國燃機(jī)電廠的主力機(jī)型。2006年1號燃機(jī)發(fā)電機(jī)檢修中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子線圈內(nèi)部槽絕緣從驅(qū)動端向勵磁端不同程度的位移(如圖1所示),最明顯的兩條槽絕緣位移量分別為5.4cm和3.5cm。同時,轉(zhuǎn)子絕緣性能明顯下降,500V搖表測試為0.5M?左右。同時也了解到國內(nèi)同型機(jī)組也出現(xiàn)類似的位移情況(勵側(cè)向驅(qū)側(cè)),但轉(zhuǎn)子絕緣未受影響。

        圖1 轉(zhuǎn)子槽絕緣外移

        2 發(fā)電機(jī)槽絕緣位移的故障分析

        發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的槽絕緣產(chǎn)生位移是發(fā)電機(jī)非常罕見的故障,而在ALSTOM產(chǎn)該型機(jī)組中則連續(xù)出現(xiàn)。經(jīng)過與國外發(fā)電機(jī)廠家、國內(nèi)同類發(fā)電機(jī)廠家、同機(jī)型電廠反復(fù)論證,分析結(jié)果如下:

        (1)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理致使槽絕緣位移的限制措施失效。該型轉(zhuǎn)子在端部設(shè)計上原本做了限制槽絕緣移動的措施,如圖 2所示,弧形凹槽本是為消除轉(zhuǎn)子線棒上應(yīng)力集中而設(shè)計的,但也同時也使槽絕緣較易突破該限制而向一側(cè)移動,沒有起到限制槽絕緣移動的作用。

        圖2 原限制槽絕緣位移的措施

        (2)機(jī)組頻繁起停導(dǎo)致轉(zhuǎn)子銅排及槽絕緣熱脹冷縮的不均勻是槽絕緣產(chǎn)生移動的原因。轉(zhuǎn)子在起停中承受著變化的溫度場,銅鐵膨脹差產(chǎn)生的熱應(yīng)力、層間絕緣和線匝的熱應(yīng)力、同一線匝各點(diǎn)受冷卻風(fēng)場影響造成溫度差異而引起的應(yīng)力不同,這三種熱應(yīng)力力圖使線匝沿軸向伸長。轉(zhuǎn)子本體、絕緣(-NHN)、繞組銅排膨脹差產(chǎn)生的伸縮量可用下面公式計算:

        式中:△L1——銅線對絕緣槽的相對伸長量,mm;

        △L2——絕緣槽對轉(zhuǎn)子本體的相對伸長量,mm;

        L——轉(zhuǎn)子的線匝長度,mm;

        λCu——銅線的線膨脹系數(shù),λCu=17 ×10-6,1/℃;

        λFe——轉(zhuǎn)子的線膨脹系數(shù),λFe=12 ×10-6,1/℃;

        λNHN——絕緣(-NHN)的線膨脹系數(shù),λNHN=9× 1 0?6,1/℃[3];

        tCu——銅線溫度,℃;

        tFe——鐵齒溫度,℃;

        t0——轉(zhuǎn)子加勵磁前的溫度,可取進(jìn)風(fēng)溫度,℃。

        如t0取機(jī)組盤車備用狀態(tài)下的溫度40℃,轉(zhuǎn)子鐵心溫度tFe、槽絕緣溫度tNHN、轉(zhuǎn)子繞組銅排溫度tCu相同,轉(zhuǎn)子繞組每槽銅排長為 3700mm,轉(zhuǎn)子選取同樣長度部分,對應(yīng)不同的tCu,根據(jù)公式計算出相對伸縮量見表1。

        表1

        可見,轉(zhuǎn)子槽絕緣與轉(zhuǎn)子繞組銅排每次期起停機(jī)各會有 1.18mm的相對位移,轉(zhuǎn)子槽絕緣與轉(zhuǎn)子鐵心每次起停機(jī)各會有 0.44mm的位移。在國內(nèi),該型機(jī)組均是作為調(diào)峰機(jī)組使用的,基本每天起停一次,如果沒有良好的限位措施,其隨機(jī)串移的速度將十分可觀。而串移的方向是根據(jù)材質(zhì)的特性隨機(jī)產(chǎn)生的。這也可以解釋南山熱電廠和同機(jī)型電廠位移現(xiàn)象相反的現(xiàn)象。

        同時,當(dāng)轉(zhuǎn)子處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時,繞組線匝受到下部線匝產(chǎn)生的離心力的作用,使其厚度變小,長度變大,即壓縮應(yīng)力;而鐵齒受到徑向拉伸應(yīng)力,使本體直徑增大,長度縮短,這樣,轉(zhuǎn)子繞組的線匝對轉(zhuǎn)子鐵齒有機(jī)械伸長差,在繞組上產(chǎn)生了機(jī)械應(yīng)力差。在熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的作用下,繞組線匝與槽絕緣之間、轉(zhuǎn)子與槽絕緣之間會有方向相反的摩擦力。由于制造工藝的原因,單靠此二力很難平衡,長期頻繁起停發(fā)電機(jī),繞組線匝、槽絕緣、轉(zhuǎn)子剛體熱脹冷縮,摩擦力不對稱,就發(fā)生槽絕緣位移。

        (3)槽絕緣位移后出現(xiàn)的空氣隙易導(dǎo)致臟污積垢,是引起轉(zhuǎn)子絕緣性能下降的主要原因。槽絕緣向一側(cè)產(chǎn)生位移后在轉(zhuǎn)子的另一側(cè)就產(chǎn)生了相應(yīng)的一個空氣隙,該空氣隙本身也足夠起到絕緣的作用。但是機(jī)組運(yùn)行中(尤其是燃燒重油工況下)產(chǎn)生的粉塵,煙氣等臟污很容易進(jìn)入該氣隙,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子絕緣性能下降。1號機(jī)的槽絕緣位移后空氣隙出現(xiàn)在靠燃機(jī)一側(cè),易受粉塵、煙氣等臟污影響,絕緣性能明顯下降。其它同機(jī)型機(jī)組槽絕緣位移方向相反,空氣隙在勵側(cè),較為干凈,因此絕緣性能暫未受影響。

        3 發(fā)電機(jī)槽絕緣位移的危害

        發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子槽絕緣位移是發(fā)電機(jī)的重大安全隱患,必須引起重視,及時處理。燃機(jī)發(fā)電機(jī)采用空氣冷卻,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時,冷卻空氣從兩端向中間吹。轉(zhuǎn)子銅線、匝間絕緣與冷卻介質(zhì)直接接觸,容易造成積灰。積灰的嚴(yán)重后果是匝間短路,繼而引起熱不平衡、轉(zhuǎn)子振動。

        槽絕緣位移使轉(zhuǎn)子線棒與轉(zhuǎn)子鐵芯失去絕緣體隔離,只保持空氣隔離,并且在槽絕緣移進(jìn)的端部爬電距離較短。因此槽絕緣位移處轉(zhuǎn)子對地絕緣尤其薄弱。因沒有絕緣體隔離,當(dāng)出現(xiàn)過電壓時,有可能造成對地?fù)舸┦鹿省?/p>

        另外,南山熱電廠1號機(jī)2006年8月最大位移量為5.4cm,2009年最大位移量為7.10cm,說明槽絕緣位移還在不斷發(fā)展并擴(kuò)大,當(dāng)位移達(dá)到一定長度時,轉(zhuǎn)子線棒與轉(zhuǎn)子鐵心之間由于失去支撐,極易發(fā)生橈性變形而形成穩(wěn)定金屬性接地。

        4 發(fā)電機(jī)槽絕緣位移的解決方案

        目前,國內(nèi)大多數(shù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上采用的間苯二酚與聚芳纖維紙聚酰亞胺薄膜復(fù)合材料(NHN)熱壓而成的“U”形槽絕緣。“U”形槽絕緣的電氣性能比較穩(wěn)定,但所占據(jù)的空間位置大,而且整體的柔韌性比較差,在使用過程中極容易受到損傷。同時,“U”形槽絕緣在制造過程中所使用的模具特殊,不同型號和電壓等級的發(fā)電機(jī)所需模具的尺寸都不相同,開發(fā)新模具就會增加改造成本,造成不必要的浪費(fèi)。1號發(fā)電機(jī)采用的是“L”形槽絕緣。“L”形槽絕緣與“U”形槽絕緣相比,可以更高地承受彎曲、壓縮和拉伸等各種機(jī)械應(yīng)力,而且整體的柔韌性好,增大了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的通風(fēng)面。因此,對槽絕緣的結(jié)構(gòu)我們決定不進(jìn)行改造。

        其次,參考其他發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子槽絕緣定位方法,試圖采取固定銷的辦法,但由于它的L型結(jié)構(gòu),使固定銷無合適的安裝位置。

        最后,采用在轉(zhuǎn)子槽口絕緣靴加工凸出臺階,當(dāng)槽絕緣因熱漲冷縮或任何原因產(chǎn)生位移,這個臺階都會有效地將其阻擋,防止位移。為了防止槽絕緣熱漲冷縮產(chǎn)生巨大應(yīng)力造成絕緣靴或槽絕緣損壞,凸出臺階與槽絕緣留有2.5mm間隙(如圖3和4所示)。

        2009年4~6月,南山熱電廠1號發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子槽絕緣按照上述方案,由國內(nèi)廠家進(jìn)行了修理和改造,7月初投入運(yùn)行。經(jīng)對槽絕緣多次窺孔檢查和絕緣電阻測試,目前情況良好。

        圖3 絕緣靴改造前

        圖4 絕緣靴改造后

        5 結(jié)束語

        發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子槽絕緣位移是罕見的,國內(nèi)有部分ALSTOM生產(chǎn)的9E發(fā)電機(jī)也存在與南山熱電廠1號發(fā)電機(jī)類似的問題,如南山熱電廠另一同型發(fā)電機(jī)及月亮灣電廠一臺同類機(jī)型都有位移現(xiàn)象。分析認(rèn)為,該型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子槽絕緣設(shè)計不合理,有必要對同類機(jī)型進(jìn)行檢查和改造。在轉(zhuǎn)子槽口絕緣靴加工凸出臺階并和槽絕緣留有2.5mm間隙的辦法,經(jīng)過幾個月的運(yùn)行及連續(xù)幾次的檢查,效果良好。

        南山熱電廠這次采用國內(nèi)技術(shù)解決了槽楔位移問題,值得同行借鑒。

        [1]楊濤, 胡春秀, 張洋. 新型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子槽絕緣結(jié)構(gòu)的研究[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2008(3).

        [2]陳世坤. 電機(jī)設(shè)計[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,1990.

        [3]汪耕, 李希明, 等. 大型汽輪機(jī)的設(shè)計、制造與運(yùn)行[M]. 上海: 科學(xué)技術(shù)出版社, 2000: 294.

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