黑麋峰電站轉(zhuǎn)子磁極引線頭斷裂故障分析與處理

吳 敏，何忠華，高 分，祝加勇，申 良，韓 軻，龐希斌

（國(guó)網(wǎng)新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410213）

1 工程概況

黑麋峰抽水蓄能電站坐落于湖南長(zhǎng)沙，是湖南的第1座抽水蓄能電站，電站共安裝4臺(tái)單機(jī)容量300 MW可逆式機(jī)組，總裝機(jī)容量1200 MW。電站為日調(diào)節(jié)方式，主要擔(dān)負(fù)電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、填谷及事故備用等任務(wù)。

黑麋峰電站4號(hào)發(fā)電電動(dòng)機(jī)由東方電機(jī)公司生產(chǎn)，于2010年10月投運(yùn)。發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子有20個(gè)磁極，由轉(zhuǎn)子中心體、磁軛和磁極3部分組成。轉(zhuǎn)子中心體用于固定磁軛并在磁極與主軸之間傳遞扭矩。磁軛是轉(zhuǎn)子的磁路，磁軛通過(guò)熱打鍵，被熱縮在轉(zhuǎn)子支架上，磁軛與磁極通過(guò)T尾的楔塊相連。磁極引線為硬連接，磁極中的繞組線圈為勵(lì)磁電流通道，形成轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)。

2 故障還原

2017年3月7日10：19：45，黑麋峰電站4號(hào)機(jī)組開(kāi)機(jī)至發(fā)電工況并網(wǎng)運(yùn)行，負(fù)荷 300 MW。運(yùn)行約1 h后，監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)一系列報(bào)警信號(hào)，同時(shí)4號(hào)機(jī)組事故停機(jī)，見(jiàn)表1。

機(jī)組停機(jī)穩(wěn)定后，進(jìn)入4號(hào)機(jī)上下內(nèi)風(fēng)洞內(nèi)，對(duì)磁極逐個(gè)檢查，測(cè)量4號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)子回路絕緣為零，檢查發(fā)現(xiàn)1號(hào)磁極靠2號(hào)磁極側(cè)引線頭直彎處被燒斷，2號(hào)磁極右上端磁極壓板端頭及環(huán)氧托板被燒傷，1號(hào)磁極靠2號(hào)磁極中段部環(huán)氧托板有灼燒痕跡。

表1 4號(hào)機(jī)組故障停機(jī)事件報(bào)警記錄

3 故障排查與處理

3.1 故障排查

4號(hào)機(jī)發(fā)電工況帶300 MW負(fù)荷由于轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)后，電站專(zhuān)業(yè)人員第一時(shí)間進(jìn)行了故障原因梳理。檢查4號(hào)發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置無(wú)裝置故障報(bào)警，同時(shí)連接4號(hào)發(fā)電機(jī)A套保護(hù)裝置后分析得知：4 號(hào)機(jī)發(fā)電工況運(yùn)行過(guò)程中，11：27：15，4 號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)啟動(dòng)（轉(zhuǎn)子對(duì)地絕緣由大于100 kΩ瞬時(shí)降到0 kΩ），經(jīng)過(guò)5 s（轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)二段動(dòng)作延時(shí)定值為 5 s），11：27：20，4 號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地A套保護(hù)二段動(dòng)作跳機(jī)（當(dāng)時(shí)4號(hào)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)切為A套投入），804分閘，4號(hào)滅磁開(kāi)關(guān)跳閘，機(jī)組停穩(wěn)后對(duì)4號(hào)轉(zhuǎn)子進(jìn)行對(duì)地絕緣檢查，絕緣值為零，經(jīng)分析4號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地A套保護(hù)為動(dòng)作正確。

4號(hào)機(jī)組停機(jī)后，由于該機(jī)組轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)報(bào)警一直存在且無(wú)法復(fù)歸，判斷機(jī)組轉(zhuǎn)子回路存在接地故障。

打開(kāi)4號(hào)機(jī)機(jī)罩內(nèi)軸端蓋板，檢查勵(lì)磁引線外觀無(wú)異常。測(cè)量轉(zhuǎn)子回路絕緣為零。

進(jìn)入4號(hào)機(jī)風(fēng)洞內(nèi)檢查發(fā)現(xiàn)1號(hào)磁極靠2號(hào)磁極側(cè)引線頭直彎處被燒斷，2號(hào)磁極右上端磁極壓板端頭及環(huán)氧托板被燒傷，1號(hào)磁極靠2號(hào)磁極中段部環(huán)氧托板有灼燒痕跡，3號(hào)磁極下端部局部有灼傷痕跡。相關(guān)故障現(xiàn)場(chǎng)照片如圖1～圖3所示。

圖1 磁極壓板靴部燒傷

圖2 磁極線圈引線頭斷裂

圖3 磁極中段環(huán)氧托板灼燒痕跡

經(jīng)檢查，確定故障點(diǎn)為1號(hào)磁極靠2號(hào)磁極側(cè)引線頭直彎處。

3.2 故障處理

3.2.1 機(jī)組1號(hào)、2號(hào)磁極處理

（1）將4號(hào)機(jī)組1號(hào)、2號(hào)磁極拔出并與電站2件備品磁極線圈一起裝車(chē)返廠處理。磁極處理完成并返回電站后，在掛裝前、后分別檢測(cè)單個(gè)磁極的絕緣電阻（≥200 MΩ）、直流電阻、交流阻抗并進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)（掛裝前交流耐壓標(biāo)準(zhǔn)：10Uf+1500 V，掛裝后交流耐壓標(biāo)準(zhǔn)：10Uf+1000 V）。

（2）檢查4號(hào)機(jī)組剩余磁極（17個(gè)）表面有無(wú)異常，如無(wú)異常則在坑內(nèi)進(jìn)行清掃，按《DL/T596-2005電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》檢測(cè)絕緣電阻并進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)（5Uf）。

（3）檢查4號(hào)機(jī)組其他磁極引線頭折彎部位，并全部進(jìn)行了放大鏡檢查和PT探傷檢測(cè)。

（4）全面仔細(xì)檢查4號(hào)機(jī)組定子鐵心內(nèi)表面、定子線棒、通風(fēng)溝、線棒端部固定等部位有無(wú)灼傷及異物并用白布蘸酒精擦拭干凈，通風(fēng)溝等部位用毛刷蘸酒精清理，清除定子及擋風(fēng)板內(nèi)異物。定子全面清理完成后按《DL/T596-2005電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》檢測(cè)定子每相絕緣電阻、直流電阻并進(jìn)行直流耐壓試驗(yàn)（2Un）。

（5）完成1號(hào)、2號(hào)磁極掛裝并安裝極間連接線后，所有轉(zhuǎn)子磁極整體按《DL/T596-2005電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》檢測(cè)絕緣電阻（≥5 MΩ）、直流電阻并進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)（5Uf）。

（6）打緊1號(hào)、2號(hào)磁極掛裝配對(duì)磁極鍵：用18磅大錘對(duì)稱、均勻地打緊同一磁極上的兩對(duì)磁極鍵，連打3下，主鍵下降不超過(guò)1 mm。為保證磁極鍵的緊度，按上述方法對(duì)磁極鍵打緊3次，每次間隔時(shí)間不小于8 h。機(jī)組發(fā)電工況及抽水工況熱穩(wěn)定試驗(yàn)完成后，再次打緊1號(hào)、2號(hào)磁極的磁極鍵并用固定塊將磁極鍵主鍵焊接鎖定。

（7）重新掛裝1號(hào)、2號(hào)磁極后，4號(hào)機(jī)組不再進(jìn)行動(dòng)平衡及甩負(fù)荷試驗(yàn)。3.2.2 機(jī)組3號(hào)磁極處理

4號(hào)機(jī)組3號(hào)磁極處理下端部局部灼傷痕跡，對(duì)灼傷部位的損傷情況進(jìn)行詳細(xì)檢查和評(píng)估后，對(duì)3號(hào)磁極按以下步驟進(jìn)行處理：

（1）表面清理后按《DL/T596-2005電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》檢測(cè)3號(hào)磁極絕緣電阻（≥200 MΩ）、直流電阻、交流阻抗。如試驗(yàn)數(shù)據(jù)正常，則3號(hào)磁極不需吊出機(jī)坑，在坑內(nèi)進(jìn)行處理，否則應(yīng)吊出機(jī)坑處理。

（2）磁極下端部磁極鐵心、上托板及磁極線圈表面灼傷碳化部位用鋼絲刷或砂紙打磨，直至表面碳化物全部清理干凈，然后用白布蘸酒精將清理部位表面擦拭干凈，最后在清理部位補(bǔ)刷188紅瓷漆并晾干。

（3）磁極下端部灼傷部位處理完成后再次按《DL/T596-2005電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》檢測(cè)3號(hào)磁極絕緣電阻（≥200 MΩ）、直流電阻、交流阻抗并進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)（5Uf）。

4 故障原因分析

從現(xiàn)場(chǎng)檢查情況分析，故障主要由1號(hào)磁極引線直角彎處斷裂引起。

對(duì)于磁極引線斷裂具體原因，從應(yīng)力分析、材質(zhì)分析、金相分析、尺寸檢查等4方面進(jìn)行（圖4）。

4.1 應(yīng)力分析

經(jīng)有限元分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下頁(yè)表2。

有限元計(jì)算結(jié)果顯示：引線折彎處，飛逸工況最大應(yīng)力258.3 MPa。此應(yīng)力值較高，但仍在材料許用應(yīng)力范圍之內(nèi)。

圖4 不同工況下等效應(yīng)力分布圖

表2 有限元分析結(jié)果

4.2 材質(zhì)分析

對(duì)1號(hào)磁極線圈引線頭進(jìn)行了化學(xué)成分檢驗(yàn)、機(jī)械性能試驗(yàn)測(cè)試（表3）。

表3 化學(xué)成分及機(jī)械性能試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)檢查，引線材料各項(xiàng)指標(biāo)均滿足BLHDF.PSF001技術(shù)要求。

4.3 金相分析

由于PT探傷只能檢測(cè)表面缺陷，無(wú)法檢測(cè)內(nèi)部缺陷。為此，對(duì)1號(hào)磁極引線進(jìn)行金相分析。

試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)磁極引線銅件試樣邊緣部位、中心部位進(jìn)行金相檢驗(yàn)，中心部位內(nèi)弧度處發(fā)現(xiàn)顯微裂紋，腐蝕后金相組織均為單相α孿晶組織，邊緣部位晶粒平均直徑為0.05 mm，中心部位晶粒平均直徑為0.04 mm。

分析結(jié)果顯示，銅排折彎處內(nèi)部有微裂紋，加工工藝不良。

4.4 尺寸檢查

對(duì)引線彎型尺寸檢查，發(fā)現(xiàn)引線彎型半徑不合格。圖紙要求R8，實(shí)測(cè)只有R4。

按照實(shí)際彎型半徑進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，結(jié)果顯示，折彎處飛逸工況最大應(yīng)力達(dá)到284.2 MPa，已經(jīng)接近材料許用應(yīng)力。

圖5 磁極引線彎型半徑檢查

結(jié)論：經(jīng)過(guò)上述4個(gè)方面的分析，可以判斷引線斷裂是由于微裂紋引起的。機(jī)組運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致引線斷裂，而微裂紋是由于成型半徑過(guò)小造成的。

5 暴露的問(wèn)題及防范措施

5.1 暴露出的設(shè)備問(wèn)題

（1）4號(hào)轉(zhuǎn)子1號(hào)磁極引線折彎處加工工藝不良，有微裂紋，產(chǎn)品質(zhì)量存在缺陷。

（2）轉(zhuǎn)子磁極引線彎型半徑不滿足設(shè)計(jì)要求。

5.2 防范措施

（1）將機(jī)組轉(zhuǎn)子磁極連接板探傷檢查納入機(jī)組定期檢查項(xiàng)目。

（2）增加對(duì)重要部位的巡視頻次，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地等報(bào)警應(yīng)認(rèn)真做好記錄并深入分析，避免設(shè)備缺陷由量變發(fā)展為質(zhì)變，造成更嚴(yán)重的后果。

（3）加強(qiáng)電站事故備品備件管理，對(duì)影響機(jī)組備用的事故備品備件按定額儲(chǔ)備到位。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)此次轉(zhuǎn)子磁極引線故障處置，為電站同類(lèi)型設(shè)備維護(hù)工作積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。故障發(fā)生后，電站第一時(shí)間隔離了故障設(shè)備，并查找出故障點(diǎn)，有利于后期故障處置。設(shè)備的隱蔽故障發(fā)生同時(shí)也表明電站設(shè)備技術(shù)監(jiān)督及隱患排查的重要性。本文詳細(xì)描述了轉(zhuǎn)子磁極引線頭斷裂事故原因、故障排查與處置過(guò)程，對(duì)其他電站防范及處理類(lèi)似設(shè)備缺陷具有借鑒意義。