王艷武

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱　150040)

英布魯水輪發(fā)電機阻尼條熔斷問題分析與處理

王艷武

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150040)

摘要：英布魯水輪發(fā)電機額定容量為35.3 MVA，額定功率為30 MW，額定轉(zhuǎn)速107.1 r/min，是哈爾濱電機廠有限責任公司設計和制造的水輪發(fā)電機，設計采用全空冷冷卻方式。2013年8月，電廠工作人員在常規(guī)停機檢查時，發(fā)現(xiàn)有一根阻尼條熔斷，文章重點介紹該發(fā)電機阻尼條熔斷問題的分析與處理。

關鍵詞：水輪發(fā)電機；阻尼條；熔斷

1問題概述

英布魯水電站裝有4臺單機容量為30 MW的發(fā)電機組。2013年8月，英布魯電廠工作人員在機組常規(guī)停機檢查時,發(fā)現(xiàn)3號發(fā)電機轉(zhuǎn)子某個磁極極靴表面存在貼附物。隨后工地傳回貼附物照片，最終確認為銅質(zhì)阻尼條熔斷物貼附在磁極極靴表面。9月14日，英布魯電廠工作人員將有問題的3號機組已損壞的磁極拔了出來(如圖1)。從照片可以看出，有問題的阻尼條為背風面第2個(如圖2)。經(jīng)初步測量，磁極鐵心阻尼槽口沿軸向約545 mm長度嚴重損壞，該部位阻尼槽口由原理論設計的3 mm最大擴至15 mm，內(nèi)部部分阻尼條已經(jīng)斷裂取出。磁極鐵心該位置已嚴重破損，磁極鐵心阻尼槽口已經(jīng)裂開。

圖1　阻尼條熔斷的磁極照片

圖2　熔斷的阻尼條在磁極的位置

2問題分析

從現(xiàn)有情況分析，已損壞的阻尼條有部分出現(xiàn)熔化現(xiàn)象并擠出阻尼槽口，并且鐵心阻尼槽口已經(jīng)豁開到15 mm。能夠發(fā)生此現(xiàn)象為該部位過熱導致阻尼條和磁極鐵心槽口熔化并突出鐵心表面。

首先我們想到的是阻尼條材質(zhì)是否有問題，于是將已損壞的部分阻尼條殘塊帶回做材質(zhì)化學成分分析。分析結(jié)果顯示，阻尼條殘塊符合相關標準的要求。所以排除了材質(zhì)問題導致該問題的可能性。

然后要看阻尼條溫度是否滿足標準要求。為此對阻尼繞組溫度進行了更為詳盡的計算，其中包括電機穩(wěn)態(tài)負序電流最大限制應為其額定電流的8%時的工況、電機外部兩相短路工況及電機外部單相對地短路工況，具體計算如下：

阻尼條編號順序：俯視順時針旋轉(zhuǎn)時，沿旋轉(zhuǎn)方向磁極的第一根阻尼條編號為1，依次順延。

1) 穩(wěn)態(tài)負序溫升計算

根據(jù)IEC標準規(guī)定的電機穩(wěn)態(tài)負序電流最大限制應為其額定電流的8%，據(jù)此計算的每極阻尼條溫升結(jié)果(見表1)。

表1　穩(wěn)態(tài)負序下阻尼條溫升

2) 電機外部兩相短路溫升計算

根據(jù)IEC標準規(guī)定的短路運行時間，計算每極阻尼條溫升結(jié)果(見表2)。

表2　瞬態(tài)負序下阻尼條溫升

3) 電機外部單相對地短路溫升計算

根據(jù)IEC標準規(guī)定的短路運行時間，計算每極阻尼條溫升結(jié)果(見表3)。

表3　瞬態(tài)負序下阻尼條溫升

標準JB/T 8445—1996《三相同步發(fā)電機負序電流承受能力試驗方法》中規(guī)定了在電機長期和短時運行時，紫銅阻尼條允許的最高溫度分別為130℃(長期運行)和220℃(短期運行)。從上述計算得到阻尼繞組最高溫度為95.1℃，滿足標準要求。

此外，我們還進行了阻尼條在鐵心內(nèi)振動計算。阻尼條與磁極鐵心之間理論間隙為0.25 mm，在離心力和電磁力的作用下，阻尼條可能會在鐵心內(nèi)產(chǎn)生高頻振動，電磁力為交變力，當阻尼條離心力與電磁力同向時，阻尼條會緊貼在鐵心表面；當阻尼條離心力與電磁力反向時，如果離心力大于電磁力，阻尼條仍會緊貼在鐵心表面。如果電磁力遠大于離心力，阻尼條會在電磁力的拉扯下脫離鐵心表面，從而可能會產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象，導致阻尼條過熱。為此，我們對阻尼條的電磁力和離心力進行了計算。

1) 阻尼條離心力的計算

阻尼條離心力計算公式為：

對于接受大手術的高?；颊撸繕藢蛞后w治療仍然是推薦的液體管理方案。一項薈萃分析顯示，目標導向液體治療可以減少術后并發(fā)癥發(fā)生率和高?；颊咝g后死亡率[37]。在另一項薈萃分析中，目標導向液體治療減少了高?；颊咝难懿l(fā)癥發(fā)生率和心律失常發(fā)生率[38]。需要注意的是不同研究所采用的“目標”并不完全一致，目前也沒有公認的最好目標，臨床實踐中仍需個體化處理。

F=mω2r

式中：m為阻尼條質(zhì)量(kg)；ω為轉(zhuǎn)子機械角速度(rad/s)；r為阻尼條旋轉(zhuǎn)半徑(m)。

根據(jù)公式計算得到每根阻尼條所受離心力為647 N。

2) 額定工況下阻尼條電磁力的計算

額定工況下，電機轉(zhuǎn)子一個極內(nèi)的阻尼條電磁力計算結(jié)果如表4所示。表中一個極內(nèi)的阻尼條編號順序為：從背風側(cè)開始，到迎風測結(jié)束。

表4　額定工況時，阻尼條所受的電磁力

3) 負序電流占額定電流的6%工況下阻尼條電磁力的計算

根據(jù)用戶日志，該電機于2013年8月18日凌晨1點出現(xiàn)了不對稱運行工況，此時電樞繞組中的負序電流達到額定電流的6%。計算電機此時阻尼條所受電磁力的結(jié)果如表5所示。

表5　負序電流達到額定電流的6%時，阻尼條所受的電磁力

4) 負序電流占額定電流的8%工況下阻尼條電磁力的計算

根據(jù)IEC標準，該工況為發(fā)電機穩(wěn)定運行時所能允許承受的最大不對稱運行工況。電機阻尼條電磁力的計算結(jié)果如表6所示。

表6　負序電流達到額定電流的8%時，阻尼條所受的電磁力

以上各工況計算的阻尼條的電磁力均小于其額定轉(zhuǎn)速時受到的離心力，因此無論電磁力與離心力是否反向，阻尼條均應靠緊在鐵心的阻尼槽口側(cè)。

為充分驗證上述電磁力與離心力的匹配理論，我們對2臺整數(shù)槽的機組進行了計算分析，包括大頂子山、江口這2臺機組(見表7)。

表7　承載負序電流為額定電流的12%時，各電站水輪發(fā)電機阻尼條最大受力情況

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，大頂子山電站、江口電站及英布魯電站的水輪發(fā)電機阻尼條所受電磁力幅值都與離心力比較接近。到目前為止，大頂子山、江口這兩個電站已安全運行多年。由此可知，單純在標準允許的負序電流情況下，電磁力不足以損壞阻尼條或引起阻尼條振動。

但也可能存在其他情況導致阻尼條在鐵心內(nèi)振動。發(fā)電機正常運行時，阻尼條雖承受交變的電磁力，但在離心力的作用下阻尼條仍緊貼在轉(zhuǎn)子鐵心阻尼槽口側(cè)，不會發(fā)生強烈振動。但發(fā)電機突然切斷電網(wǎng)時，電樞繞組電流由額定值突變?yōu)榱?，電樞反應磁場消失。根?jù)法拉第電磁感應定律，此時在阻尼繞組中會產(chǎn)生較大的感應電流，以抵抗電機內(nèi)磁場的躍變。阻尼條電流的增加會導致電磁力的增大，如果阻尼條所受電磁力突然增大，并遠超過離心力的大小時，那么阻尼條就會產(chǎn)生強烈的振動。根據(jù)以往對發(fā)電機突然短路瞬態(tài)響應的計算經(jīng)驗，阻尼繞組感應電流的最大值及其所受電磁力的最大值一般都出現(xiàn)在故障時刻后的一到兩個電磁周期內(nèi)(50 Hz工頻的一個電磁周期為20 ms)，然后衰減，并逐漸趨于穩(wěn)定。突然切斷電網(wǎng)對發(fā)電機阻尼條的沖擊雖然沒有突然短路對阻尼條的沖擊大，但兩者的瞬態(tài)響應都是受發(fā)電機超瞬變電抗的影響，因此在突然切斷電網(wǎng)的過程中，阻尼條所受的電磁力也是在斷電后的一到兩個電磁周期內(nèi)出現(xiàn)最大幅值，并開始衰減，逐漸減小到空載運行工況下的阻尼條穩(wěn)態(tài)受力幅值。這個過程中，阻尼條電流產(chǎn)生的損耗并不會太大，溫升也不會太高。但由于交變電磁力大幅增加，使阻尼條產(chǎn)生較強的振動。另外，由于阻尼條和轉(zhuǎn)子鐵心存在電位差，阻尼條與轉(zhuǎn)子鐵心反復出現(xiàn)放電現(xiàn)象，形成電腐蝕。一旦阻尼條出現(xiàn)放電后，若再次經(jīng)歷突然斷網(wǎng)的情況，則放電現(xiàn)象會加劇，并擴大電腐蝕。長此以往，必然會對阻尼條造成不可修復的損害。

根據(jù)電站的實際運行情況，存在發(fā)電機頻繁與電網(wǎng)斷開現(xiàn)象。也就是說，發(fā)電機阻尼繞組頻繁經(jīng)歷上述過程，阻尼條也反復受到電磁力沖擊及電腐蝕而可能發(fā)生損壞。

3結(jié)語

能夠?qū)е伦枘崂@組溫度升高的原因還包括以下幾個方面：

1) 發(fā)電機長時間工作在負載不對稱的工況；

2) 由于故障而導致發(fā)電機出現(xiàn)不對稱運行，如電機發(fā)生不對稱突然短路；

3) 受系統(tǒng)的影響使電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電樞繞組磁場轉(zhuǎn)速之間出現(xiàn)轉(zhuǎn)差，如電機的甩負荷運行；

4) 安裝原因也能導致阻尼繞組溫度升高。如果實際安裝氣隙比理論氣隙小，導致氣隙諧波磁場強度變大，阻尼條溫升將增大。并且安裝過程中，問題磁極的磁極鍵打的不緊，可能會導致運行過程中磁極向外凸出，導致該磁極處實際氣隙比理論氣息小，氣隙諧波磁場強度變大，阻尼條溫升也將增大。

所以，英布魯水輪發(fā)電機3號發(fā)生的磁極阻尼條熔斷現(xiàn)象，可能為各種因素綜合原因?qū)е碌?。分?號機可能發(fā)生過某種極端惡劣工況，再加上安裝等問題，導致出現(xiàn)該問題。

4問題處理

由于可能為多種原因?qū)е碌脑搯栴}的出現(xiàn)，所以在現(xiàn)有運行條件下，只能采取適當?shù)姆椒ㄟM行處理?？梢詫γ總€磁極鐵心沿軸向在阻尼條位置打多處洋沖，提高阻尼條和磁極鐵心間的固定，減少阻尼條振動?；蛴媚z將阻尼條和磁極鐵心之間的間隙填滿，目的是減少阻尼條與鐵心的間隙，降低阻尼條的振動振幅，防止阻尼條與鐵心的局部放電，從而避免阻尼條和磁極鐵心局部過熱。另外，由于英布魯電站的電網(wǎng)非常不穩(wěn)定，所以不排除機組將來不會出現(xiàn)類似問題，為保證機組的安全穩(wěn)定運行，對幾臺機組進行觀察運行，每隔一段時間檢查磁極極靴表面，特別是槽口位置，看是否存在過熱導致的鐵心表面顏色變化，如有變化，先確認是否為油污或灰塵沉積，如果是過熱導致的鐵心表面顏色變化，立即停機作進一步的檢查。

王艷武，男，1980年生，工程師，長期從事水輪發(fā)電機的設計工作。

作者簡介：