吳慧基

(深能合和電力(河源)有限公司)

0 引言

發(fā)電機(jī)為火電機(jī)組三大主力設(shè)備之一，是將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能不可替代的關(guān)鍵設(shè)備，發(fā)電機(jī)故障停機(jī)事故直接造成企業(yè)損失，修復(fù)成本高昂且難度大，工藝復(fù)雜且工期較長(zhǎng)，給發(fā)電廠生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至威脅到電網(wǎng)供電安全。因此保障大型發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。反措中有專門針對(duì)發(fā)電機(jī)各重要構(gòu)件隱患檢查的要求，但有些問(wèn)題即使輔導(dǎo)材料中著墨也并不多，本文根據(jù)發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)維中出現(xiàn)的水路故障及槽楔緊固等問(wèn)題進(jìn)行若干列舉分析。

1 定子繞組水路故障

國(guó)產(chǎn)哈電、上電600MW發(fā)電機(jī)冷卻水路如下：冷卻水從勵(lì)端或集電環(huán)端的總進(jìn)水匯流管通過(guò)連接的聚四氟乙烯絕緣引水管流入定子線棒，再?gòu)木€棒出水接頭通過(guò)絕緣引水管流入總出水匯流管。每根上層或下層線棒各自形成一個(gè)獨(dú)立的水支路，共有84個(gè)并聯(lián)的線棒水支路。另有六路冷卻水從集電環(huán)端的總進(jìn)水匯流管進(jìn)入，也通過(guò)絕緣引水管流經(jīng)繞組引線，即線圈端部連接線，主引線及出線瓷套端子或中性點(diǎn)母線后，進(jìn)入出線盒中的小匯流管，再?gòu)耐獠抗艿懒魅肫丝偝鏊畢R流管，然后一起引出到外部總出水管，流回定子水箱(見圖1)。

1.1 故障現(xiàn)象

發(fā)電機(jī)采用水氫氫冷卻方式，定子線棒由銅耗和附加損耗產(chǎn)生的熱量通過(guò)冷卻水對(duì)流散熱。多年來(lái)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明：雜質(zhì)、異物進(jìn)入定冷水中是造成定子水內(nèi)冷系統(tǒng)水路堵塞的主要原因之一，但發(fā)電機(jī)定子引線水路外接管道由于管徑偏小而引發(fā)事故的情況也屢有發(fā)生，定子水內(nèi)冷系統(tǒng)水路堵塞，將使被堵塞水路的水流量減少或斷水，造成繞組絕緣局部過(guò)熱損壞，嚴(yán)重者絕緣擊穿造成短路或接地事故。

案例1：某JZS 電廠600MW發(fā)電機(jī)定子差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作并跳閘停機(jī)，事故前負(fù)荷從 400MW 驟升到 600MW 左右；事故停機(jī)后發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象：12 點(diǎn)到 1 點(diǎn)鐘位置的 2W2 環(huán)形引線燒斷，其它環(huán)形引線存在過(guò)熱導(dǎo)致的絕緣脫離銅引線表面現(xiàn)象。經(jīng)詳細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)，與環(huán)形引線相連的機(jī)外出水聯(lián)接總管，設(shè)計(jì)內(nèi)徑大于 38mm，實(shí)際內(nèi)徑為 20mm。

案例2：某GHY電廠機(jī)組因振動(dòng)大導(dǎo)致汽機(jī)跳閘，隨之發(fā)變組保護(hù)跳開主開關(guān)、滅磁開關(guān)，事故前負(fù)荷由長(zhǎng)期運(yùn)行的300MW左右上調(diào)至600MW；發(fā)電機(jī)端蓋打開后，發(fā)現(xiàn)勵(lì)端B相定子引出線環(huán)形引線燒壞，轉(zhuǎn)子抽出后，發(fā)現(xiàn)汽端定子30～36槽下層線棒(對(duì)應(yīng)定子B相)主絕緣損傷需更換；經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，在發(fā)電機(jī)底部的小匯流管外接連通管上安裝了內(nèi)徑僅為Ф15mm流量孔板(外接連通管內(nèi)徑為Ф38mm)。

1.2 故障分析

發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中，水泵起停及充水操作時(shí)，定冷水中會(huì)產(chǎn)生少量氣體，此外，由于定子線圈絕緣引水管采用聚四氟乙烯塑料高分子材料，發(fā)電機(jī)內(nèi)氫壓高于定冷水壓，分子量很小的氫分子可通過(guò)塑料高分子間的間隙，滲到定冷水中去，因此每天總有一定量的氫氣滲過(guò)引水管進(jìn)入到定冷水中。據(jù)廠家估算整臺(tái)發(fā)電機(jī)每天約有50-150L的氫氣漏入水中，正常情況下，漏入水中的氫氣隨水流帶到水箱中，由排氣管排出。國(guó)內(nèi)外有關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)定子環(huán)形引線內(nèi)的水流速大于0.7m/s 時(shí)，滲入的氫氣能夠及時(shí)被冷卻水排出；但當(dāng)水流速小于0.4m/s 時(shí)，氣體將不能被冷卻水帶出，水中的氣體將越積越多并聚集在并聯(lián)環(huán)上部，形成“氣堵”，據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)電機(jī)定子環(huán)形引線內(nèi)冷卻水正常流速在 0.8～1.0m/s 之間，不會(huì)引起氣堵故障。然而，當(dāng)將小匯流管外接連接管內(nèi)徑變小時(shí)，如上述JZS電廠發(fā)電機(jī)，外接連通管內(nèi)徑由要求的38mm改為20mm，甚至GHY電廠更小的15mm時(shí)，由于管徑小流阻大，并聯(lián)環(huán)冷卻水量將減少一半以上，冷卻水流速也減小一半以上，造成環(huán)形引線內(nèi)的內(nèi)冷水流量小、流速低；此時(shí)既促成水中所溶解的氣體容易析出，又造成冷卻水中析出的氣體不能被及時(shí)帶走，而聚集在上層并聯(lián)環(huán)形引線的上部，致使該處銅管冷卻水流量降低、引出線導(dǎo)體得不到正常冷卻，使導(dǎo)體與冷卻水同時(shí)溫度升高，這又進(jìn)一步加劇了水中的氣體析出，當(dāng)氣泡聚集更多，流量進(jìn)一步減少，致使氣泡附近的銅管冷卻條件惡化，溫度上升超過(guò)運(yùn)行水壓下的飽和溫度，水汽化變成蒸汽.體積將以千倍增加，形成管內(nèi)局部高壓汽堵區(qū)域，一方面使傳熱惡化，銅管溫度驟然升高；另一方面大量蒸汽聚集完全堵塞水路，阻止冷卻水的繼續(xù)流入，銅管內(nèi)冷條件被破壞，基本處于絕熱狀態(tài)，銅管溫度越來(lái)越高，過(guò)熱范圍越來(lái)越大，當(dāng)最熱點(diǎn)的溫度達(dá)到銅的熔點(diǎn)時(shí)，銅管開始熔斷，熔斷中產(chǎn)生的電弧將進(jìn)一步加速熔斷的過(guò)程，其電流轉(zhuǎn)移至與之并聯(lián)(同相)的其他環(huán)行引線，造成相連的發(fā)電機(jī)定子線棒因電流發(fā)熱量過(guò)大而燒損。

引出線氣堵燒毀的特征是原發(fā)故障點(diǎn)在最長(zhǎng)引線最高位置，其機(jī)理如圖2所示。

據(jù)了解，在全國(guó)已有10臺(tái)次左右600MW級(jí)別發(fā)電機(jī)發(fā)生了類似的環(huán)形引線燒損事件，故障現(xiàn)象非常相似，如發(fā)電機(jī)都是采用美國(guó)西屋技術(shù)制造、燒斷的引線都是弓形引線在12點(diǎn)鐘左右位置、熔斷的長(zhǎng)度達(dá)數(shù)百毫米左右等等，甚至故障后的外觀也比較相似。多數(shù)發(fā)電機(jī)在引線燒斷后因保護(hù)及時(shí)動(dòng)作與系統(tǒng)解列停機(jī)，故障沒有進(jìn)一步擴(kuò)大。少數(shù)發(fā)電機(jī)在燒斷一個(gè)引線分支以后，仍帶全部滿負(fù)荷加到另一個(gè)并聯(lián)支路上，造成該支路的線棒嚴(yán)重過(guò)負(fù)荷，持續(xù)超過(guò)幾分鐘以后，該部分定子繞組線棒絕緣就因嚴(yán)重過(guò)熱而損壞擊穿，為此更換數(shù)十根定子線棒。

1.3 預(yù)防措施及對(duì)策

1)小匯流管外接連通管內(nèi)徑過(guò)小容易形成氣堵，有的是外接連通管直接使用的是Ф20mm的小口徑管，有的是在外接連通管上裝有閥門(流量孔板)節(jié)流所致，外接回水管選型過(guò)細(xì)和安裝錯(cuò)誤，導(dǎo)致水流速過(guò)低，進(jìn)而引起水溫升高，氣體過(guò)量析出，由開始的“氣阻”逐步惡化形成“汽堵”，最終釀成事故。因此，為了能將氫氣有效隨冷卻水帶出，抑制氫氣的過(guò)量析出，從源頭上抑制氣堵，必須保證引線內(nèi)的冷卻水流速滿足設(shè)計(jì)要求，一般600MW發(fā)電機(jī)定冷水總流量要求為90±3t/h，上述案例中實(shí)際運(yùn)行雖然都在額定流量范圍，但基本處在下限，外接回水管選型、安裝正確時(shí)，測(cè)試出線盒出水流量應(yīng)為發(fā)電機(jī)總流量10%左右，但廠家說(shuō)明書沒有給出此處的設(shè)計(jì)流量及最低限制流量，安裝錯(cuò)誤時(shí)，出線盒出水流量?jī)H為發(fā)電機(jī)總流量5-6%左右，且缺乏直觀的監(jiān)控手段，有效的辦法應(yīng)是將發(fā)電機(jī)定冷水流量和壓力調(diào)整至廠家說(shuō)明書要求的上限值，實(shí)時(shí)對(duì)環(huán)形引線的流量和溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，有條件的建議在外接管或出線盒出水管處加裝流量監(jiān)測(cè)裝置，或定期用超聲波流量計(jì)對(duì)內(nèi)冷水總流量及小回水管流量進(jìn)行離線測(cè)試，一旦流量出現(xiàn)異常，能夠及時(shí)察覺，從而采取減負(fù)荷或增加定子進(jìn)水壓力等措施。

2)運(yùn)行工況的有效監(jiān)控、及時(shí)調(diào)整也是不容忽視的重要環(huán)節(jié)。

資料顯示，根據(jù)“汽堵”故障時(shí)引線溫升計(jì)算，從出現(xiàn)異常到引線燒毀仍有接近半小時(shí)時(shí)間，如能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，快速采取有效措施，仍能保證環(huán)形引線不至于燒毀。在案例2中，發(fā)電機(jī)負(fù)荷由300MW上調(diào)至600MW(在此期間定冷水流量為88t/h，接近額定流量的下限值)，曲線顯示此時(shí)定冷水中的電導(dǎo)率即開始緩慢上升(銅離子濃度增大)，直至2.5小時(shí)后線棒溫度才開始突變，說(shuō)明“汽堵”故障形成過(guò)程中，定冷水水質(zhì)往往先產(chǎn)生變化，所以定冷水水質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)乃至增加必要的告警也是一個(gè)值得摸索的有效途徑。

如前所述，發(fā)電機(jī)每天都有一定量的氫氣漏入水中，在水流速及外接回水管正常情況下，滲入的氫氣能夠及時(shí)的被冷卻水排出，這時(shí)即使存在定冷水內(nèi)漏的情況，只要注意各方面指標(biāo)監(jiān)控，風(fēng)險(xiǎn)大致可控，但當(dāng)水流量偏低，還存在外接回水管偏細(xì)的情況，這時(shí)有效的運(yùn)行監(jiān)控將顯得尤為重要，我們可以看出在2個(gè)案例中均存在事故前負(fù)荷由長(zhǎng)期運(yùn)行的較低負(fù)荷大幅度調(diào)整負(fù)荷的“刺激”因素，這時(shí)就應(yīng)密切監(jiān)視發(fā)電機(jī)的電壓、電流、線棒出水、線棒層間溫度及定冷水水質(zhì)等參數(shù)的變化，控制定冷水壓力、定冷水與氫氣壓差、定冷水流量應(yīng)符合廠家要求值，并避免定冷水壓力和流量出現(xiàn)大幅的波動(dòng)。一旦出現(xiàn)異常情況時(shí)，應(yīng)立即調(diào)整機(jī)組負(fù)荷，控制參數(shù)在允許范圍內(nèi)，在排除測(cè)量原因后，應(yīng)果斷停機(jī)檢查處理。

另外，機(jī)組在大修時(shí)，有條件的宜完善告警系統(tǒng)，對(duì)定冷水電導(dǎo)率，定子線棒溫度等設(shè)置告警值，應(yīng)按照檢修導(dǎo)則和25項(xiàng)反措的要求進(jìn)行水流量試驗(yàn)，必要時(shí)增加熱水流試驗(yàn)，同時(shí)，對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水箱中含氫(體積含量)給予關(guān)注，內(nèi)冷水系統(tǒng)中漏氫量達(dá)到0.3m3/d時(shí)應(yīng)在停機(jī)時(shí)(不限于A修)安排消缺，漏氫量大于5m3/d時(shí)應(yīng)立即停機(jī)處理。

2 定子槽楔松動(dòng)故障

2.1 故障現(xiàn)象

2015年某電廠#1發(fā)電機(jī)大修，發(fā)電機(jī)抽轉(zhuǎn)子后，對(duì)定子槽楔作松緊檢查，電機(jī)廠質(zhì)檢員使用里氏硬度檢測(cè)儀對(duì)發(fā)電機(jī)所有槽楔進(jìn)行檢測(cè)，圖3展示部分檢測(cè)數(shù)據(jù)。

節(jié)數(shù)槽號(hào)12345678…36373839404116787096587227246547097032677670653650707703727707370070263773870961070963046896946967346396637076985689697695721694690700693705708705709706721667706651722723659709704724622670698709700732738704639709700700704709694…20648640709708708715719710622623653651621702217107047087266977367126716227036217216246442269970169570570771666371865473970165765570323697691698704702731734681721712704655705707246807026936987237236407067087216527067006772570870067070069372371472460971270562673073126720709704706701669703710708707700708707679276937077047066397127106717087067037086296782864967067067064071764264073773372973573973429679645693648737640643646701625731737738645…3864570270772869070167070158970370067070664939675642735690736736703707644702734626625647406406406446556406447016476107056707077047024167870470770870370070070170270173162670470742695703631644643706645722705734624727726645

各電機(jī)制造廠選用材料不同，標(biāo)準(zhǔn)也有所差別。哈電機(jī)廠對(duì)600MW發(fā)電機(jī)槽楔聲檢里氏硬度標(biāo)準(zhǔn)為：每根槽楔測(cè)量?jī)牲c(diǎn)，數(shù)值應(yīng)大于700HL，每個(gè)槽可以有兩根槽楔低于標(biāo)準(zhǔn)，但不能低于660HL，且不能相鄰；每根端頭槽楔必須合格大于700HL。圖表中灰色部分為≦660HL，垂直條紋部分為661～699之間。對(duì)全部檢測(cè)數(shù)據(jù)分析得知，最低值僅為589，偏離標(biāo)準(zhǔn)值較多；按序號(hào)分，前槽與后槽松動(dòng)比較突出，中間槽數(shù)及每槽的中間節(jié)相對(duì)較好，整體≦660HL的槽楔數(shù)量較多，且部分相鄰，端口關(guān)門槽楔大部分均已松動(dòng)，小于要求值，已大面積突破了每個(gè)槽可以有兩根低于700HL的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 故障分析

發(fā)電機(jī)主要采用U型燕尾槽鐵芯，在槽楔下使用彈性波紋板固定結(jié)構(gòu)，在電機(jī)運(yùn)行中由波紋板彈簧墊條的伸縮自動(dòng)補(bǔ)償槽楔可能出現(xiàn)的松動(dòng)以保持線棒處于緊固狀態(tài)。發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，定子線棒由于受到電磁力的作用會(huì)產(chǎn)生振動(dòng).端部所受電磁振動(dòng)力的頻率是電網(wǎng)頻率的2倍，切向、軸向分量較少，以徑向?yàn)橹鳎坌ㄅc波紋板構(gòu)成的緊固結(jié)構(gòu)與上層線棒直接接觸，波紋板具有較好的預(yù)置形變量，以確保線棒能承受較大電磁力而不發(fā)生振動(dòng)。但隨著電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行(#1發(fā)電機(jī)運(yùn)行已達(dá)8年)，由于材料疲勞、積污磨損以及局部放電等影響，即使是良好的緊固結(jié)構(gòu)仍然會(huì)逐漸松動(dòng)，隨著槽楔緊固程度的不同，波紋板的形變量也發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致波紋板作用在槽楔底部的彈性力大小也發(fā)生改變，槽楔振動(dòng)特性發(fā)生變化，逐漸導(dǎo)致其形變量衰減，加重槽楔松動(dòng)。特別是端部槽楔松動(dòng)，造成定子線圈兩端振動(dòng)及出現(xiàn)位移，致使端部絕緣層與槽內(nèi)側(cè)面波紋板接觸面磨損，同時(shí)由于發(fā)電機(jī)存在進(jìn)油情況又加劇了松動(dòng)，使磨損更嚴(yán)重。絕緣層磨損后與油混合形成泥狀物，分布在第一風(fēng)區(qū)槽楔表面及風(fēng)道中。當(dāng)波紋板的形變量減小到一定值，所提供的緊固力達(dá)不到要求時(shí)，運(yùn)行中就可能因振動(dòng)幅值增大而最終造成槽楔嚴(yán)重松動(dòng)、脫落，引起定子線棒在電磁力的作用下劇烈振動(dòng)，加速主絕緣劣化、損壞而導(dǎo)致主絕緣擊穿等嚴(yán)重運(yùn)行事故。

2.3 處理措施及建議

針對(duì)槽楔大面積松動(dòng)的情況，電廠專業(yè)人員征詢了發(fā)電機(jī)廠家、電科院所及同型機(jī)組電廠處理方法后，召開專題會(huì)，確定處理范圍及方案：在A修期間進(jìn)行處理，更換部分老化墊條、中間段槽楔，將波紋板、關(guān)門槽楔全部更換、敲緊，清理汽勵(lì)兩端鐵芯，去除油污和雜質(zhì)，將材料磨損后附著在鐵芯風(fēng)道里的黑泥徹底清除，對(duì)所有槽楔全部重新安裝緊固；安裝槽楔時(shí)，根據(jù)需要在槽內(nèi)加入墊條，繼而放入新波紋板，分段打緊槽楔，每打完1節(jié)都必須檢查合格與否，整臺(tái)槽楔完畢后要逐一檢測(cè)驗(yàn)收，每塊槽楔應(yīng)完整、平整，槽楔不凸出鐵芯內(nèi)圓表面，用儀器復(fù)測(cè)確保數(shù)據(jù)滿足廠家標(biāo)準(zhǔn)。

建議在發(fā)電機(jī)運(yùn)行多年后，大修時(shí)應(yīng)將槽楔松緊度檢測(cè)列為發(fā)電機(jī)重點(diǎn)檢查項(xiàng)目，當(dāng)發(fā)現(xiàn)槽楔存在松動(dòng)時(shí)，要予以及時(shí)徹底地處理，不留后患。每次測(cè)得的槽楔松緊度數(shù)據(jù)應(yīng)保存完整，以便于歷史數(shù)據(jù)的比較分析。正常情況下，據(jù)電機(jī)廠的經(jīng)驗(yàn)，槽楔處理過(guò)一次后.再發(fā)生深度形變機(jī)率較小，可保證發(fā)電機(jī)在下一個(gè)大修周期前不會(huì)出現(xiàn)大面積松動(dòng)。另外， 在檢查中，除槽楔外，還發(fā)現(xiàn)兩側(cè)端部如引線壓板墊圈、固定支架螺釘、拉緊楔墊圈、槽口限位片等部分緊固件也存在程度不等的松動(dòng)、位移現(xiàn)象，都給予了加固處理，這一點(diǎn)也要引起足夠重視。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析定子水路產(chǎn)生故障的原因，提出解決小匯流管外接連通管內(nèi)徑過(guò)小的問(wèn)題和對(duì)運(yùn)行工況進(jìn)行有效監(jiān)控、及時(shí)調(diào)整的對(duì)策。針對(duì)定子槽楔松動(dòng)故障產(chǎn)生的原因，提出當(dāng)發(fā)現(xiàn)槽楔存在松動(dòng)時(shí)，要予以及時(shí)徹底地處理，不留后患等具體措施。