水冷發(fā)電機(jī)的冷卻水泄漏測(cè)試經(jīng)驗(yàn)

張 祺

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

最近對(duì)多達(dá)600臺(tái)以上的水冷發(fā)電機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行了調(diào)查研究。雖然預(yù)期設(shè)計(jì)壽命是30年，而實(shí)際上定子繞組的平均運(yùn)行壽命為26年。在失效的定子繞組中，有15%發(fā)生在運(yùn)行中，有55%發(fā)生在電氣試驗(yàn)中，其余30%發(fā)生在真空、壓力和氦氣試驗(yàn)中。調(diào)查結(jié)果表明，最近16年以來(lái)定子線棒發(fā)生故障的次數(shù)為47次，其中有40次發(fā)生在電氣試驗(yàn)中，7次發(fā)生在運(yùn)行中。引起故障的原因主要是冷卻水泄漏、磨損、縫隙腐蝕、銅管泄漏和水的電導(dǎo)率問(wèn)題等。上述故障中的75%是由于絕緣受潮。

1 水的泄漏

1.1 泄漏原因

大容量汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組采用水內(nèi)冷的全球多達(dá)幾千臺(tái)。雖然在制造過(guò)程中已經(jīng)通過(guò)了嚴(yán)格的檢漏試驗(yàn)，但在運(yùn)行以后，便處于熱沖擊、重復(fù)性的負(fù)載、腐蝕、機(jī)械振動(dòng)和電磁應(yīng)力等環(huán)境中，仍有泄漏發(fā)生。何況每臺(tái)發(fā)電機(jī)有多達(dá)數(shù)千個(gè)焊點(diǎn)。

1.2 泄漏部位

定子繞組可能發(fā)生泄漏的部位如下:1)銅管、管子、管接頭、連接套管、套管接頭、彎管接頭、配件、連接套管、管的加長(zhǎng)節(jié);2)聚四氟乙烯軟管及其管接頭;3)并頭連接焊接口;4)連接環(huán);5)匯水管及其管接頭;6)高壓套管及其連接;7)水接頭及其軟管。

1.2.1 水盒蓋泄漏

采用線夾從周?chē)鷮⒍喙晒删€箍緊，其端面用銅釬焊焊上水盒蓋。如果水盒蓋焊接得不可靠，焊接點(diǎn)處會(huì)泄漏。

1.2.2 孔隙泄漏

在過(guò)去鑄造水盒的孔隙區(qū)域會(huì)形成泄漏，后來(lái)改為實(shí)心銅塊機(jī)械加工。

1.2.3 釬焊處泄漏

股線與線夾之間采用銅釬焊進(jìn)行箍緊。由于釬焊合金(Cu3P)中含有磷，它是一種催化劑，促進(jìn)了釬焊合金的腐蝕(縫隙腐蝕)及其相鄰銅線的腐蝕(磷酸侵蝕)。由于焊接工藝本身存在著多孔性，在釬焊合金的富磷相就會(huì)發(fā)生縫隙腐蝕，并在水的化學(xué)變化中而形成磷酸。隨著釬焊合金在縫隙腐蝕作用下，使原有微小氣孔增大，直到氣孔接觸到銅線時(shí)，磷酸溶液將使銅線腐蝕，而且比釬焊合金的腐蝕速度要快。銅的腐蝕深度變化不大(約為0.4 mm)，并在銅的表面形成磷酸鹽。雖然液體的體積逐漸增大，但卻保持著臨界的酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，直到銅線的泄漏通道形成。這就是縫隙腐蝕機(jī)理。

雖然氧含量低的冷卻水沒(méi)有發(fā)生縫隙腐蝕，但是不能用它來(lái)取代氧含量高的。研究結(jié)果表明，氧含量低的冷卻水確實(shí)不易發(fā)生縫隙腐蝕，但是更容易產(chǎn)生氧化亞銅。這種不穩(wěn)定的氧化物能將空心線棒淤堵，阻滯冷卻水流動(dòng)，導(dǎo)致線棒過(guò)熱、股線分開(kāi)和剝離，以致對(duì)地絕緣擊穿和定子接地故障。冷卻水中溶解氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)當(dāng)是2×10－6～8×10－6。

1.2.4 端部泄漏

定子繞組端部承受著高頻振動(dòng)，會(huì)使銅線磨損泄漏。如果在繞組端部發(fā)現(xiàn)污垢或粉塵，就表明端部零件之間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)或磨損。如果在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(圖1)中的水箱排氣裝置中檢測(cè)到大量氣體，就表明存在泄漏。

圖1 冷卻水泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

1.3 泄漏量

采用釬焊或焊接工藝時(shí)，可能遇到的泄漏量通常在10－2～10－5cm3/s之間。如果泄漏量低于10－7cm3/s，通常會(huì)由水本身堵塞。泄漏量為10－5cm3/s時(shí)，每年的泄漏量約為10 cm3。這是引起線棒絕緣失效的泄漏等級(jí)。泄漏量是很難預(yù)測(cè)的。因?yàn)樗拇笮『驮鲩L(zhǎng)速度是許多變量的函數(shù)，其中包括:泄漏位置、材料特性、熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力等。所以需要裝設(shè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)。只有大于10－4cm3/s的泄漏量，采用泡沫試驗(yàn)和真空/壓力試驗(yàn)才能測(cè)量出來(lái)。更加靈敏的氦氣試驗(yàn)，應(yīng)當(dāng)用于檢測(cè)比這還要小的泄漏量。那么，多大的泄露量是允許的?所能測(cè)出的任何泄露量都是不可接受的!以上的泄漏檢測(cè)都是用于直接暴露的泄漏。然而多數(shù)泄漏都發(fā)生在端部接頭處。這些接頭采用多層環(huán)氧樹(shù)脂帶纏繞，監(jiān)測(cè)就很困難。而且所有的檢測(cè)靈敏度都會(huì)降低。

2 測(cè)試方法

水冷發(fā)電機(jī)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用已有30多年歷史。水的泄漏事故逐漸增多，導(dǎo)致巨大的停機(jī)和維修損失。為了延長(zhǎng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行壽命，必須進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和離線測(cè)試，[1]如表 1 所示。

2.1 在線測(cè)試

它不需要停機(jī)。它針對(duì)的是定子繞組整體。通常無(wú)法確定泄漏點(diǎn)的大小、數(shù)量和位置等。常用的在線監(jiān)測(cè)儀器如下:

2.1.1 液體探測(cè)報(bào)警器

發(fā)電機(jī)泄漏時(shí)，它的集水報(bào)警裝置就會(huì)發(fā)出警報(bào)(見(jiàn)圖1)。泄漏的水來(lái)自于氫油密封系統(tǒng)、氫氣的冷卻器、定子繞組的泄漏、氣源提供的質(zhì)量差的潮濕氫氣。

2.1.2 氫氣探測(cè)器

如果液體探測(cè)報(bào)警器發(fā)出警報(bào)，并發(fā)現(xiàn)水，就應(yīng)當(dāng)在冷卻水的出口進(jìn)行氫氣流的測(cè)試，泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(圖1)的排氣口逸出過(guò)多的氫氣，氫氣指示器就能顯示定子繞組可能有比較大的泄漏。如果氫氣排放正常，就應(yīng)當(dāng)查找其它原因。發(fā)電機(jī)冷卻水的回水管中的氫氣，經(jīng)過(guò)水箱和排氣管排出。設(shè)置排放口的目的是為了適應(yīng)冷卻水的熱脹冷縮。正常情況下應(yīng)當(dāng)是氫壓高于水壓。如果相反，水就會(huì)泄漏到氫氣中并使氫氣排出。如果氫氣流量較大或流速較高，就要在下次大修中進(jìn)行完整性的水壓試驗(yàn)甚至停機(jī)檢修。只要發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣的壓力高于定子繞組內(nèi)水的壓力，即使微小的泄漏，也不會(huì)使繞組損壞。但是毛細(xì)管作用卻能導(dǎo)致水的滲出。

表1 冷卻水泄漏試驗(yàn)方法

2.1.3 泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

開(kāi)發(fā)應(yīng)用泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目的，是檢測(cè)經(jīng)過(guò)離子化處理的冷卻水等級(jí)和排出的氫氣流量。該系統(tǒng)包括有流量表、氣體分析儀、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)以及管路修正系統(tǒng)等。該系統(tǒng)可將經(jīng)過(guò)過(guò)濾的新鮮空氣輸入到冷卻水里，使水中的氧含量維持在2×10－6～8×10－6。即使裝設(shè)監(jiān)測(cè)裝置以后也要進(jìn)行定期試驗(yàn)。因?yàn)槎ㄗ有孤┍O(jiān)測(cè)系統(tǒng)雖然提供了連續(xù)的在線監(jiān)測(cè)，但是它不具備所要求的靈敏度，所以還要按照規(guī)定進(jìn)行定期試驗(yàn)，何況這兩種方法還具有互補(bǔ)性。冷卻水泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1。

2.2 離線測(cè)試

它屬于維修試驗(yàn)，需要停機(jī)，甚至抽出轉(zhuǎn)子。它能夠?qū)π孤┝繛?0－5cm3/s這樣小的單個(gè)泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位。小修測(cè)試是每隔30個(gè)月進(jìn)行一次;大修則60個(gè)月一次。小修試驗(yàn)程序包括真空試驗(yàn)和壓力衰減試驗(yàn)以及視覺(jué)檢測(cè)。停機(jī)以后不需抽出轉(zhuǎn)子。大修試驗(yàn)程序包括壓力衰減試驗(yàn)、真空試驗(yàn)、氦氣試驗(yàn)、電容試驗(yàn)以及電氣性能試驗(yàn)等。但是，試驗(yàn)以前必須抽出轉(zhuǎn)子。在進(jìn)行大修時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)進(jìn)行發(fā)電機(jī)排氣和定子繞組排水。但是要注意:在消除發(fā)電機(jī)的氣壓以后還要同時(shí)消除水壓。

為了避免水從泄露點(diǎn)滲透到定子繞組中，應(yīng)當(dāng)始終保持水壓低于氣壓。即使已經(jīng)通過(guò)泄露試驗(yàn)的繞組，也這樣要求。

還要注意:在發(fā)電機(jī)存在氣壓條件下冷卻水也能泄露。通過(guò)毛細(xì)作用水能從某些泄露點(diǎn)逸出，比如隱藏在絕緣層和樹(shù)脂下面的泄露點(diǎn)。絕緣層之間的氫氣壓力下降，也會(huì)引起滲漏。

2.2.1 真空衰減試驗(yàn)

這種試驗(yàn)的最大優(yōu)點(diǎn)是靈敏性，而且它在測(cè)量泄漏時(shí)，無(wú)需進(jìn)入定子。它的測(cè)量靈敏度可以達(dá)到微米(水柱)級(jí)。這在普通壓力表上是無(wú)法相比的。它的測(cè)試只需1 h;而普通壓力衰減試驗(yàn)則需要24 h。這種試驗(yàn)不合格時(shí)，必須進(jìn)一步地進(jìn)行真空干燥處理，并重新進(jìn)行試驗(yàn)。

真空試驗(yàn)和壓力試驗(yàn)的泄漏標(biāo)準(zhǔn)是不同的。真空試驗(yàn)的靈敏度、繞組潮濕程度和試驗(yàn)設(shè)備狀況都影響著試驗(yàn)結(jié)果。因此對(duì)于真空試驗(yàn)必須有更高的試驗(yàn)要求。

2.2.2 壓力衰減試驗(yàn)

與真空衰減試驗(yàn)相比，它的優(yōu)點(diǎn)是能夠提供高達(dá)5倍的壓力差，就能更加容易地發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是對(duì)于小泄漏不敏感。在施加高壓以前，定子繞組內(nèi)部必須完全干燥。試驗(yàn)時(shí)，必須采用非常干燥的空氣或氮?dú)?，以便保證潮氣不會(huì)進(jìn)入系統(tǒng)。

泄漏測(cè)試的實(shí)踐表明:即使真空和壓力試驗(yàn)合格，也不能保證沒(méi)有泄漏。還要進(jìn)行氦氣和電容試驗(yàn)(測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2)。

表2 發(fā)電機(jī)泄漏測(cè)試結(jié)果 %

已經(jīng)通過(guò)高壓試驗(yàn)的受潮線棒必須更換。只要線棒受潮就沒(méi)有辦法徹底干燥。這個(gè)缺陷是不可消除的。長(zhǎng)期運(yùn)行就會(huì)導(dǎo)致絕緣強(qiáng)度降低，就更容易受到機(jī)械損傷或在電壓作用下而失效。此外水還能引起粘接股綫的樹(shù)脂劣化、股線分離并產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，引起短路、過(guò)熱并最終導(dǎo)致線棒失效。

2.2.3 氦氣檢漏試驗(yàn)

氦氣是一種最輕的無(wú)毒無(wú)害惰性氣體。如果是其它氣體，就不如氦氣靈敏，而且容易與線棒內(nèi)的殘留水結(jié)合形成酸性溶液。如果泄漏量為10－4cm3/s及以上，大約在85%的情況下都能發(fā)現(xiàn);另外15%的情況因?yàn)楹饬啃《荒軠?zhǔn)確定位。

這種檢測(cè)方法只能用于繞組端部并頭連接等局部。雖然那里容易泄漏，但是用于整個(gè)繞組的檢測(cè)，還必須抽出轉(zhuǎn)子。真空和壓力試驗(yàn)以后的氦氣試驗(yàn)也合格，就進(jìn)行電容試驗(yàn)。如果不合格，就用探測(cè)器檢漏并定位進(jìn)行維修，然后重新進(jìn)行氦氣試驗(yàn)。

即使在真空試驗(yàn)和應(yīng)力試驗(yàn)合格以后，還要進(jìn)行氦氣試驗(yàn)。因?yàn)楹庠囼?yàn)是最為敏感的泄漏試驗(yàn)方法，它能測(cè)出比真空試驗(yàn)或應(yīng)力試驗(yàn)低5個(gè)數(shù)量級(jí)的泄漏量。

雖然檢漏氣體試驗(yàn)是最靈敏的試驗(yàn)，但是在合格以后還要進(jìn)行真空試驗(yàn)和壓力試驗(yàn)。因?yàn)?1)檢漏氣體試驗(yàn)需要接觸定子繞組，通常適用于機(jī)組大修。而真空試驗(yàn)和壓力試驗(yàn)就不需要這種接觸，只要發(fā)電機(jī)停機(jī)就行。也能在兩次大修之間進(jìn)行。2)檢漏氣體試驗(yàn)用于檢查容易接近的位置，比如并頭套內(nèi)的連接、匯水管接頭等。實(shí)際上大多數(shù)泄漏都發(fā)生在這些位置。而真空試驗(yàn)和壓力試驗(yàn)針對(duì)的是整個(gè)繞組，能對(duì)檢漏氣體試驗(yàn)覆蓋不到的地方進(jìn)行檢查。3)進(jìn)行檢漏氣體試驗(yàn)時(shí)，要先進(jìn)行真空試驗(yàn)和壓力試驗(yàn)。因?yàn)槔@組在試驗(yàn)以前就必須進(jìn)行真空干燥，在真空試驗(yàn)時(shí)就不再需要額外的附加設(shè)備。而壓力試驗(yàn)也能在繞組充壓時(shí)進(jìn)行。所以，對(duì)于整個(gè)檢查試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，只是增加了一點(diǎn)試驗(yàn)時(shí)間。4)上述三種試驗(yàn)再加上電容試驗(yàn)，就為防止繞組遭受冷卻水泄漏而引發(fā)的破壞性事故，提供了最好的保證。

2.2.4 電容試驗(yàn)

這種測(cè)試主要用于確定冷卻水的滲透程度或范圍。進(jìn)行這種測(cè)試無(wú)需進(jìn)行定子繞組干燥。采用其它試驗(yàn)方法時(shí)，在檢漏試驗(yàn)以前必須進(jìn)行繞組的干燥處理。實(shí)驗(yàn)研究表明:在試驗(yàn)壓力下，潮氣仍能導(dǎo)致很小泄漏點(diǎn)的堵塞。為了消除潮氣，在試驗(yàn)前就必須進(jìn)行真空干燥。進(jìn)行電容試驗(yàn)不需干燥繞組的原因是:電容試驗(yàn)要檢測(cè)的是對(duì)地絕緣中是否有水滲入，而水與正常對(duì)地絕緣的介電常數(shù)有很大區(qū)別，從而使這項(xiàng)試驗(yàn)成為有效，就不需干燥繞組。

電容測(cè)繪試驗(yàn)如果不合格，就憑視覺(jué)檢查并頭連接和端部繞組是否受潮，再用氦氣試驗(yàn)仔細(xì)檢查，然后進(jìn)行電氣試驗(yàn)。經(jīng)驗(yàn)表明，經(jīng)受不住電氣試驗(yàn)而失效的繞組都是由于絕緣受潮而引起的。雖然它們大部分通過(guò)了真空衰減試驗(yàn)，而且大約50%還通過(guò)了壓力衰減試驗(yàn)。但是卻都沒(méi)有能通過(guò)氦氣試驗(yàn)和電容試驗(yàn)。

3 測(cè)試實(shí)例

在過(guò)去的幾年期間，在百萬(wàn)千瓦的汽輪發(fā)電機(jī)上檢查出來(lái)的泄漏缺陷位置和數(shù)量如下:1)空心股線——1處;2)空心管與水接頭——1處;3)水盒蓋焊縫——3處;4)根部焊縫——4處。在2009年2月，某個(gè)火電站裝設(shè)有冷卻水泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的600 MW大型汽輪發(fā)電機(jī)的氫氣排放流量檢測(cè)器發(fā)出警報(bào):發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣溢出流量超過(guò)正常值。初步判斷為定子線棒冷卻水泄漏。在發(fā)生泄漏情況下，定子線棒中的水便流到發(fā)電機(jī)的氫氣中，并驅(qū)使氫氣向外溢出。后來(lái)通過(guò)壓力和真空試驗(yàn)，檢查出來(lái)部分線棒端部接頭的鑄造水盒泄漏。進(jìn)行了拆除絕緣和補(bǔ)焊、堵漏處理。在后續(xù)的氦氣和電容驗(yàn)證和確認(rèn)試驗(yàn)中，又發(fā)現(xiàn)其余的線棒也出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。最后決定整個(gè)定子繞組端部全部灌注樹(shù)脂，解決了泄漏問(wèn)題。雖然麻煩點(diǎn)，但是要比更換整個(gè)定子繞組節(jié)省很多。

在后來(lái)的改進(jìn)設(shè)計(jì)中，已經(jīng)將這種鑄造水盒改為冷拉銅機(jī)械加工的，從而提高了材料的致密性，減少甚至避免了再度出現(xiàn)水盒泄漏的可能性。最近幾年，這種冷卻水泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正在大型汽輪發(fā)電機(jī)上推廣應(yīng)用。

4 維修方法

定子繞組冷卻水泄漏的維修方法有以下三種:1)更換泄漏部件;2)實(shí)施釬焊或鎢極惰性氣體保護(hù)焊;3)灌注環(huán)氧樹(shù)脂;4)更換整個(gè)繞組。

為了減少非計(jì)劃性停機(jī)和提高可利用率，長(zhǎng)期性解決辦法還是后面兩項(xiàng)措施。對(duì)于定子進(jìn)行環(huán)氧樹(shù)脂的整體灌注環(huán)氧樹(shù)脂，能夠消除縫隙腐蝕、線棒與水盒之間的泄漏，但是卻不能完全消除前面所述多種應(yīng)力引起的其它類(lèi)型泄漏。因?yàn)樾孤┧斐傻慕^緣劣化是無(wú)法恢復(fù)到初始狀態(tài)的。如果在鐵心出槽口處的線棒彎曲部位或端部防暈層發(fā)現(xiàn)絕緣受潮，就必須更換繞組。

注意:更換為采用新技術(shù)新材料制作的新繞組以后也要定期試驗(yàn)。雖然更換繞組以后進(jìn)行了嚴(yán)格檢查，但是運(yùn)行以后繞組承受著熱沖擊、腐蝕、機(jī)械和電氣以及重復(fù)負(fù)載等應(yīng)力的作用下，即使焊接質(zhì)量上微小的偏差，就會(huì)引起定子繞組中冷卻水的泄漏。所以，仍要按照規(guī)定進(jìn)行定期試驗(yàn)。即使是新出廠的全新產(chǎn)品也不例外。

對(duì)地絕緣損壞的線棒是不可修復(fù)的，必須在一年內(nèi)更換。因?yàn)閾p傷的線棒更容易受潮，又沒(méi)有有效的干燥方法，所以是不可恢復(fù)的。為了縮短大修周期，最好采用表3給出的繞組線棒備件數(shù)量作為戰(zhàn)略儲(chǔ)備。

表3 定子繞組線棒備件數(shù)量根

5 預(yù)防措施

1)開(kāi)發(fā)應(yīng)用新型絕緣材料，并提高它們對(duì)于潮濕、化學(xué)、油和其它污染物的承受能力。

2)采取發(fā)電機(jī)內(nèi)氫壓始終高于線棒內(nèi)水壓的運(yùn)行方式。

3)采用機(jī)床加工取代鑄造的銅件。

4)改進(jìn)釬焊工藝，取消含磷的釬焊合金。

5)實(shí)施在線監(jiān)測(cè)和離線試驗(yàn)，防患于未然。

6)提高定子繞組的質(zhì)量。[2]

6 結(jié)語(yǔ)

調(diào)查結(jié)果表明，發(fā)電機(jī)冷卻水的滲漏故障在不斷增加。根據(jù)多年以來(lái)的測(cè)試和維修經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了總結(jié)。為了減少非計(jì)劃性停機(jī)和減少維修費(fèi)用，最好實(shí)施在線監(jiān)測(cè)和離線試驗(yàn)，以便防患于未然。

[1]齊彥.汽輪發(fā)電機(jī)事故的測(cè)試方法[J]，防爆電機(jī).2013(5):17－21.

[2]梁海濱.大型發(fā)電機(jī)冷卻水故障的應(yīng)對(duì)措施[J].電工文摘，2013(3):25－29.