某大型水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁引線燒毀事故原因分析

李慧磊,陸本光,陳思源,高 洋

(云南華電魯?shù)乩娪邢薰?，云南省大理?671211)

文章編號(hào)：1006—2610(2015)03—0067—04

某大型水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁引線燒毀事故原因分析

李慧磊,陸本光,陳思源,高 洋

(云南華電魯?shù)乩娪邢薰?，云南省大理?671211)

針對(duì)國(guó)內(nèi)某大型水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁引線燒毀事故，從發(fā)電機(jī)發(fā)生事故時(shí)的安裝情況、運(yùn)行狀況、勵(lì)磁引線的材質(zhì)、機(jī)械變形及引線溫升對(duì)絕緣材料影響等幾個(gè)方面進(jìn)行了分析，對(duì)于大型水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁引線的截面設(shè)計(jì)、材料選擇及受力情況、大型水輪發(fā)電機(jī)組安裝和檢修提出了建議，具有一定的借鑒作用。

勵(lì)磁引線;引線材質(zhì);引線變形受力;溫升;絕緣材料

0 前 言

2010年10月25日09:09:08，某電廠運(yùn)行值班人員在3號(hào)發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電過(guò)程中，當(dāng)機(jī)組起勵(lì)建壓成功，開(kāi)機(jī)至空載態(tài)時(shí)，發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)報(bào)“3號(hào)發(fā)電機(jī)B套保護(hù)裝置告警”，09：09：13，上位機(jī)報(bào)“3號(hào)發(fā)電機(jī)B套保護(hù)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地報(bào)警”，09:09:23，上位機(jī)報(bào)“3號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)子溫度過(guò)高(勵(lì)磁調(diào)節(jié)器計(jì)算產(chǎn)生)”，09：09：24，上位機(jī)報(bào)“3號(hào)機(jī)勵(lì)磁裝置故障報(bào)警”。 09：12，廠房運(yùn)行值班負(fù)責(zé)人發(fā)現(xiàn)處于開(kāi)機(jī)過(guò)程中的3號(hào)發(fā)電機(jī)組上機(jī)架蓋板下方有明顯弧光，并伴隨有絕緣材料由于高溫產(chǎn)生的異常氣味，隨即在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組LCU柜內(nèi)按下“事故停機(jī)”按鈕，啟動(dòng)事故停機(jī)流程進(jìn)行停機(jī)。09:12:23，3號(hào)發(fā)電機(jī)組事故停機(jī)動(dòng)作。在停機(jī)過(guò)程中，當(dāng)3號(hào)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)滅磁開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，上機(jī)架內(nèi)電弧光隨即消失。事發(fā)后，電廠人員當(dāng)即通知發(fā)電機(jī)廠家，安排專業(yè)人員趕赴現(xiàn)場(chǎng)對(duì)發(fā)電機(jī)組定、轉(zhuǎn)子部分進(jìn)行檢查處理，并對(duì)事故產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析。

1 3號(hào)發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁引線燒毀事故檢查結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)初步分析

1.1 3號(hào)發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁引線燒毀事故檢查經(jīng)過(guò)及結(jié)果

2010年10月27日20:00時(shí)廠家人員到場(chǎng)后，由發(fā)電機(jī)組上機(jī)架蓋板進(jìn)入電站3號(hào)機(jī)風(fēng)罩內(nèi)，到達(dá)轉(zhuǎn)子支架上表面，進(jìn)行事故勘察?？辈榈慕Y(jié)果為：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁引線負(fù)極“Ω”軟連接、勵(lì)磁引線支撐及下方轉(zhuǎn)子本體扇形板與轉(zhuǎn)子擋風(fēng)板連接處燒毀(詳見(jiàn)圖1,2)，其中截面為100 mm×8 mm勵(lì)磁引線及“Ω”軟連接大部分燒毀，勵(lì)磁引線支撐線夾部分燒熔，勵(lì)磁引線下方轉(zhuǎn)子支架擋風(fēng)板上被燒出1個(gè)洞。10月28日發(fā)電機(jī)廠家與電廠值班人員及相關(guān)技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)召開(kāi)專題會(huì)，查看3號(hào)發(fā)電機(jī)組在事發(fā)當(dāng)日?qǐng)?bào)警時(shí)相關(guān)機(jī)組數(shù)據(jù)和曲線，發(fā)現(xiàn)3號(hào)發(fā)電機(jī)組在發(fā)生“3號(hào)發(fā)電機(jī)B套保護(hù)裝置告警”及“3號(hào)發(fā)電機(jī)B套保護(hù)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地報(bào)警”時(shí)，機(jī)端電壓正常，勵(lì)磁電流、勵(lì)磁電壓正常，中性點(diǎn)不平衡電流出現(xiàn)波動(dòng)。2010年10月28日11：00再次進(jìn)入事故現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)整個(gè)勵(lì)磁引線機(jī)械變形情況進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查結(jié)果為：燒毀的勵(lì)磁引線及其連接的引線未發(fā)現(xiàn)明顯的機(jī)械變形，發(fā)生燒毀的部位僅發(fā)電機(jī)勵(lì)磁引線負(fù)極“Ω”軟連接與引線連接部位發(fā)生了較為嚴(yán)重的機(jī)械變形。并發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁引線正、負(fù)極“Ω”軟連接與引線連接部位的把合螺栓部分未按照廠家圖紙要求安裝止動(dòng)墊片。

圖1 發(fā)生燒毀位置的部套位置部套結(jié)構(gòu)圖

圖2 現(xiàn)場(chǎng)勵(lì)磁引線的燒毀情況圖

1.2 3號(hào)發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁引線燒毀事故現(xiàn)場(chǎng)初步分析結(jié)果

經(jīng)過(guò)廠家人員和電廠人員多次對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的檢查和對(duì)勵(lì)磁引線燒毀部分的分析，初步確定造成此次勵(lì)磁引線燒毀的原因有以下3種可能：

(1) 由于勵(lì)磁引線截面設(shè)計(jì)偏小，引起引線本體電氣過(guò)流和溫升過(guò)高，進(jìn)而發(fā)生燒毀；

(2) 由于勵(lì)磁引線在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中受到機(jī)械應(yīng)力發(fā)生機(jī)械變形，造成此次燒毀事故；

(3) 由于在安裝過(guò)程中未按照廠家圖紙要求和工藝進(jìn)行施工，對(duì)勵(lì)磁引線與“Ω”軟連接未能按照廠家質(zhì)量要求進(jìn)行把合，造成把合部位接觸電阻過(guò)大，引起此次燒毀事故。

2 勵(lì)磁引線燒毀事故原因分析情況

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勵(lì)磁引線燒毀的現(xiàn)象，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)初步分析3種可能的結(jié)果，采用不同方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

(1) 該水輪發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電流為3 230 A，勵(lì)磁引線截面為100 mm×8 mm，勵(lì)磁引線電密計(jì)算值為4 A/mm2，勵(lì)磁引線與“Ω”軟連接螺栓把合接觸面部分接觸電密0.38 A/mm2。由此得到過(guò)流及溫升情況分析如下：

使用ANSYS11.0有限元分析軟件進(jìn)行該勵(lì)磁引線在通過(guò)額定電流情況下溫度的計(jì)算。

通過(guò)電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合的方法，首先計(jì)算出導(dǎo)線的銅損，再以銅損作為下一步溫度計(jì)算的載荷，分析引線的溫度分布。

本此燒毀的勵(lì)磁引線所用的材料特性如下：

銅的材料屬性 相對(duì)磁導(dǎo)率 1

電阻率 24.76×10-9Ω/m(125 ℃)

導(dǎo)熱系數(shù) 395 W/(m.K)

絕緣的材料屬性 相對(duì)磁導(dǎo)率 1

導(dǎo)熱系數(shù) 0.2 W/(m.K)

引線截面積 8 mm×100 mm

環(huán)境溫度 40 ℃

引線電流 3 230 A

對(duì)流換熱系數(shù) 20 W/(m2.K)(風(fēng)速按2 m/s，

實(shí)際的換熱系數(shù)要優(yōu)于此值)。

進(jìn)而選取部分勵(lì)磁引線的導(dǎo)體進(jìn)行四邊形幾何模型剖分，剖分單元總數(shù)為4 544個(gè)。再通過(guò)軟件中電磁場(chǎng)求解單元和溫度場(chǎng)求解單元計(jì)算后得出，幾何模型及通過(guò)額定電流時(shí)的溫升情況如圖3所示。

由圖3可知，引線的最大溫度為126.3 ℃，位于引線的銅導(dǎo)體上，溫升為86.3 K；絕緣表面的最小溫度為123.3 ℃，接近B 級(jí)(130 ℃)，遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)際絕緣材料F 級(jí)(155 ℃)[1]。

因此，可以排除由于勵(lì)磁引線截面設(shè)計(jì)偏小，引起引線本體電氣過(guò)流和溫升過(guò)高，造成此次勵(lì)磁引線燒毀的可能性分析。

圖3 勵(lì)磁引線在過(guò)流情況下溫度圖

(2) 計(jì)算采用有限元計(jì)算(ANSYS V9.0)方法，分別對(duì)引線燒毀處勵(lì)磁引線和軟連接部分在飛逸工況下的應(yīng)力進(jìn)行了分析。該段的有限元模型如圖4所示。

圖4 引線燒毀處勵(lì)磁引線和軟連接部分的有限元模型圖

機(jī)組及勵(lì)磁引線機(jī)械計(jì)算主要參數(shù)：

設(shè)計(jì)飛逸轉(zhuǎn)速 245 r/min

引線計(jì)算段重量 11 kg

引線重心半徑 4 830 mm

引線寬度 100 mm

引線材料 T2

引線材料屈服極限 70 MPa。

計(jì)算分別得出燒毀處勵(lì)磁引線和“Ω”軟連接部分的應(yīng)力分布情況，如圖5、6所示。

圖5 燒毀處勵(lì)磁引線所受應(yīng)力分布情況圖

根據(jù)以上的計(jì)算結(jié)果，飛逸工況下，如圖5所示，燒毀處勵(lì)磁引線的最大應(yīng)力為45.2 MPa，分布在引線豎直段以及折彎位置，最大應(yīng)力不超過(guò)軟銅材料的屈服極限，因此不會(huì)產(chǎn)生塑性變形。如圖6所示，引線“Ω”軟連接處的應(yīng)力為12 MPa，所受應(yīng)力較小。由此而造成的徑向位移，無(wú)論在燒毀處勵(lì)磁引線或者“Ω”軟連接處都較小，均在設(shè)計(jì)的允許范圍之內(nèi)，即使考慮轉(zhuǎn)子支架與磁軛之間的相對(duì)位移(約1～2 mm)，軟連接的彈性變形也可以消化位移差。

圖6 “Ω”軟連接部分的應(yīng)力分布情況圖

綜上所述，由于轉(zhuǎn)速等機(jī)械原因產(chǎn)生的應(yīng)力及變形都較小，應(yīng)力不超過(guò)材料的屈服極限，產(chǎn)生的徑向變形也較小，且完全在彈性變形的范圍之內(nèi)，因此可以排除由于勵(lì)磁引線在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中受到機(jī)械應(yīng)力發(fā)生機(jī)械變形，造成此次燒毀事故的可能性。

(3) 排除引起此次燒毀事故上述的2種情況后，廠家及電廠技術(shù)人員再次對(duì)勵(lì)磁引線燒毀部位進(jìn)行了檢查，并將事故中沒(méi)有燒毀的“Ω”軟連接另一端連接部位打開(kāi)，發(fā)現(xiàn)此端“Ω”軟連接部位與勵(lì)磁引線把合接觸面有大量已經(jīng)固化的鎖定膠且存在部分螺栓松動(dòng)及止動(dòng)鎖片未安裝的情況。由此可以判斷，此次事故燒毀處的勵(lì)磁引線與“Ω”軟連接部位也使用的同樣安裝工藝，并未按照廠家要求使用螺栓把合和加裝止動(dòng)鎖片的方式進(jìn)行勵(lì)磁引線與“Ω”軟連接部位的安裝工藝，而是使用鎖定膠進(jìn)行螺栓鎖定，致使大量鎖定膠粘連在勵(lì)磁引線與“Ω”軟連接接觸面，造成軟連接與勵(lì)磁引線連接部分接觸不良引起的接觸電阻過(guò)大，在通入勵(lì)磁電流后，引起該部位溫度過(guò)高。勵(lì)磁引線在轉(zhuǎn)子支架與磁軛之間設(shè)置了“Ω”軟連接以適應(yīng)機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中磁軛與轉(zhuǎn)子支架的膨脹值和機(jī)械應(yīng)力不同。如果連接接頭部分螺栓把合度不夠或者止動(dòng)鎖片未安裝，機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中由于振動(dòng)、軟連接受熱位移等原因，會(huì)造成軟連接部位把合螺栓松動(dòng)，通入勵(lì)磁電流后就會(huì)有電弧產(chǎn)生，致使事故按以下過(guò)程發(fā)生：

1) 軟連接與勵(lì)磁引線連接部分存在接觸不良，當(dāng)通入勵(lì)磁電流后，造成局部發(fā)熱，使發(fā)熱部分產(chǎn)生銅溶化現(xiàn)象，有銅水流出。銅水與轉(zhuǎn)子支架接觸位置產(chǎn)生轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地。

2) 銅水在離心力的作用下，堆積在靠近磁極側(cè)的引線支撐上，同時(shí)轉(zhuǎn)子中心側(cè)的引線絕緣燒毀，使這根引線接地，兩端引線通過(guò)轉(zhuǎn)子支架連通，所以轉(zhuǎn)子有持續(xù)穩(wěn)定的勵(lì)磁電壓、電流，機(jī)端電壓穩(wěn)定。

3) 勵(lì)磁引線燒斷后，轉(zhuǎn)子中心側(cè)的引線在離心力的作用下，與轉(zhuǎn)子支架虛接，產(chǎn)生電焊效應(yīng)，所以事故過(guò)程中有明顯弧光。

3 結(jié) 語(yǔ)

伴隨著中國(guó)水電機(jī)組裝機(jī)單機(jī)容量的不斷增大，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流也不斷的提高，在進(jìn)行發(fā)電機(jī)選型和設(shè)計(jì)過(guò)程中，不僅應(yīng)在設(shè)計(jì)階段充分考慮勵(lì)磁引線的材料、截面、通流能力及引線的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的受力情況，并應(yīng)在機(jī)組安裝或檢修過(guò)程中，嚴(yán)格執(zhí)行《水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件》和《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》及廠家安裝指導(dǎo)文件，特別是要把控好大電流直流回路及接觸面檢查工作，避免此類事故的發(fā)生。

[1] SL 321-2005，大中型水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件[S].北京：中國(guó)水利水電出版社,2005.

[2] GB/T7894-2009,水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[3] GB/T8564-2003,水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

[4] 胡承斌.蜀河水電站勵(lì)磁系統(tǒng)缺陷處理[J].西北水電,2012，(6)：77-80.

[5] 何建輝.公伯峽水電站發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)[J].西北水電,2005,(2):46-48.

Analysis on Burning Causes of Excitation Lead of One Large Hydraulic Turbine Generator

LI Hui-lei, LU Ben-guang, CHEN Si-yuan, GAO Yang

(Yunan Huadian Ludila Hydropower Co., Ltd., Dali City, Yunan 671211,China)

Aiming at the burning accident of one large hydraulic turbine generator, analysis is performed in terms of installation, operation, excitation lead material, mechanical deformation, and impacts on insulating materials from the lead temperature rise, etc. Section design, materials selection and action of the excitation lead as well as large unit installation and maintenance are commented. These analysis and comments provide reference to similar occurrence.

excitation lead; lead material; lead deformation action; temperature rise; insulating material

2015-01-04

李慧磊(1982- )，男，河北省石家莊市高邑縣人，助理工程師，從事發(fā)電廠機(jī)組調(diào)試，勵(lì)磁系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、維護(hù)工作和水電廠生產(chǎn)管理工作.

TV734.2

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.03.019