一起水輪發(fā)電機磁極燒毀故障分析

龔 源，朱生鴻，郭光焰，高立超

(國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730050)

1 概 述

某水電站2號機組設(shè)備發(fā)電機型號為SF—J57.5—88/12500，機組于2005年3月2日試運行，自2006年1月至2017年1月，共進行了C級維修9次，B級維修2次，A級維修0次；最近一次C級維修時間為2016年12月5日—2017年1月10日。故障發(fā)生前，該電站運行機組有1、2、3、4號機組，全廠有功180 MW，其中2號機組有功功率51.23 MW，無功功率2.5 Mvar。

2 2號機組故障發(fā)生經(jīng)過

2017年5月4日02∶46∶20監(jiān)控系統(tǒng)簡報“2F機組勵磁限制器(欠勵限制)動作/復(fù)歸”共3次，02∶46∶35至02∶46∶47時間內(nèi)機組故障錄波裝置連續(xù)報出5次“2F勵磁電壓越上限”；02∶47∶16監(jiān)控簡報“2F保護A柜報警動作”，02∶47∶24監(jiān)控簡報“2F轉(zhuǎn)子一點接地保護報警動作”。03∶07∶54至03∶19∶24集控人員接到2號機停機令后將2F有功功率從53 MW降為0，無功從4 Mvar降為0；03∶19∶28“2F發(fā)電至停機令動作”，03∶23∶36“2F停機狀態(tài)動作”。

3 故障檢查處理及原因分析

3.1 2號機組故障檢查處理經(jīng)過

(1)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)2號機滑環(huán)以下轉(zhuǎn)子絕緣為零，進一步利用直流電阻比較法，對轉(zhuǎn)子繞組施加恒定電流并在每個磁極連接頭處測量電壓降，根據(jù)歐姆定律計算出直流電阻值(見表1)。初步判斷故障點在上滑環(huán)勵磁大線引線進入磁極第11號磁極左右。打開上擋風(fēng)板后發(fā)現(xiàn)8、9、10、11號磁極存在不同程度燒損，吊出8～11號磁極檢查發(fā)現(xiàn)其中9、11號磁極燒損嚴(yán)重，11號磁極線圈引線靠近10號磁極側(cè)斷裂，并存在兩點接地點。同時，墊平排后磁軛處形成嚴(yán)重?zé)g痕跡，9號磁極也存在接地點。

(2)對8～11號磁極進行了試驗并檢查，各轉(zhuǎn)子磁極線圈(靠磁軛側(cè))表面粉塵較多，8、9、11號磁極絕緣電阻為零，10號磁極絕緣電阻低于正常值；8～11號磁極交流阻抗值均超標(biāo)。

(3)將8～11號磁極送電機廠進行修復(fù)，期間對發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子進行相關(guān)試驗檢查并徹底清掃。10 d后2號機組故障處理完成，各項試驗合格，經(jīng)批準(zhǔn)重新投入運行。

表1 2號機組轉(zhuǎn)子磁極線圈間連接點直流電阻

3.2 故障原因分析

(1)通過發(fā)電機解體對4個磁極進行對比檢查發(fā)現(xiàn)8、9、10、11號磁極存在不同程度燒損，9、11號磁極燒損嚴(yán)重，其中11號磁極燒損最為嚴(yán)重，且11號的磁極線圈引線處斷裂，在磁軛處形成嚴(yán)重的燒蝕痕跡；而8、10號燒損情況相對較輕。結(jié)合轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動順序為11號—10號—9號—8號的情況分析，應(yīng)為11號磁極線圈首先發(fā)生故障，11號磁極線圈匝間絕緣破壞，進一步導(dǎo)致匝間短路(具體匝間短路原因分析見第(2)點)并產(chǎn)生接地。而11號磁極線圈引線處因為自身在長期運行中已存在金屬疲勞損傷，同時受到線圈接地影響而發(fā)生斷裂(具體斷裂原因分析見第(3)點)。斷裂瞬間發(fā)生燃弧，燃弧造成的大電流及高溫使得線圈連接點斷口的銅材料熔融，所產(chǎn)生的熔渣順轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向飛濺到9號磁極，造成9號磁極線圈匝間短路并形成接地，從而造成2號發(fā)電機兩點接地事故；而熔渣同時波及到8、10號磁極，導(dǎo)致8、10號磁極燒損。

(2)11號磁極線圈匝間短路原因分析

①2號發(fā)電機組自2005年試運行至今已有12 a之久，期間絕緣老化現(xiàn)象不可避免。

②發(fā)電機組運行中，在電、熱和機械等綜合應(yīng)力的作用下，繞組產(chǎn)生變形、位移，會造成匝間絕緣磨損、脫落。

③發(fā)電機解體檢查發(fā)現(xiàn)該機轉(zhuǎn)子磁極線圈(靠近磁軛側(cè))表面粉塵較多，而磁極臟污，在長期較高溫度下運行碳化，也會造成匝間(尤其是轉(zhuǎn)子繞組的端部匝間)短路。

(3)11號磁極線圈引線處斷口原因分析

①對11號磁極線圈引出線斷口進行觀察(見圖1)，斷口呈弧形，與線圈出線構(gòu)架邊緣形狀吻合，故可以判斷不是單純?nèi)蹟啵怯捎谑艿酵饬碗娀「邷毓餐饔孟掳l(fā)生的斷裂。同時，由于斷口沒有沿焊縫斷開，可以排除焊接工藝不良引起的斷裂。

②檢查發(fā)現(xiàn)11～12號磁極連接排存在應(yīng)力痕跡(見圖2)，此應(yīng)力會傳導(dǎo)至引出線斷口處，導(dǎo)致引出線斷口處受到額外的應(yīng)力。同時，引出線為整體銅件，材質(zhì)過硬、柔韌度不足，在長期大電流運行狀況下發(fā)熱氧化；而且受到轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)離心力及振動影響，會導(dǎo)致斷口處金屬疲勞損傷。

圖1 11號磁極斷口及與構(gòu)架邊緣比較情況

圖211～12號磁極連接排應(yīng)力情況

③當(dāng)11號磁極發(fā)生匝間短路，轉(zhuǎn)子繞組一部分被短路，另一部分繞組電流增加，破壞了氣隙磁場對稱性，局部磁場畸變，引起機組振動的增加。新的通道電流使9、11號磁極線圈進一步受損，同時電流增大導(dǎo)致了繞組溫度升高，使引出線產(chǎn)生斷裂。

綜上所述， 11號磁極線圈引線處斷口應(yīng)為以上所分析的兩種原因共同影響所導(dǎo)致。

4 防范措施

(1)運行中注意觀察發(fā)電機無功功率、勵磁電流及機組振動的情況，一旦發(fā)生發(fā)電機定子或轉(zhuǎn)子一點接地故障時應(yīng)立即申請停機檢查。

(2)擇機進行電站發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路試驗，并對磁極線圈引線質(zhì)量進行徹底檢查(引用可行技術(shù)結(jié)合機組A修、B修進行)。

(3)做交流阻抗試驗時，采用與出廠、交接試驗時同樣的電壓，使試驗數(shù)據(jù)具有可比性。

(4)對電站機組發(fā)電機進行全面的檢查清掃，防止機組受到油污、粉塵污染。

(5)嚴(yán)格按照工藝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進行連接安裝。避免因工藝不良造成匝間短路及局部應(yīng)力過大。對該變電站新?lián)Q母線筒加裝端部支撐，并重新調(diào)整母線伸縮節(jié)。

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