巴西某水電站發(fā)電機(jī)故障成因分析與防范措施

楊 艷，馮自然

(1. 中國三峽國際股份有限公司，北京 100033； 2. 中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443000)

巴西赫珊娜電站機(jī)組最早投產(chǎn)于上世紀(jì)80年代，受限于當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)理念，定子結(jié)構(gòu)存在一定的設(shè)計(jì)缺陷，在運(yùn)行過程中多次發(fā)生發(fā)電機(jī)定子故障。國內(nèi)同時(shí)期投產(chǎn)的葛洲壩電站部分機(jī)組也存在類似的設(shè)計(jì)。目前國內(nèi)外新安裝或改造機(jī)組的定子的設(shè)計(jì)有了很大的改進(jìn)。解決原機(jī)組定子設(shè)計(jì)缺陷問題的最好方式是對定子進(jìn)行重新改造，采取更為科學(xué)合理的新設(shè)計(jì)。

在進(jìn)行徹底改造前，需要采取有效的措施保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此對發(fā)電機(jī)故障成因分析及防范措施的研究有著很重要的意義。本文從結(jié)構(gòu)上分析發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)缺陷以及故障發(fā)生的原因，并提出一系列防范措施。

1 發(fā)電機(jī)存在的主要問題和原因分析

巴西赫珊娜電站位于圣保羅州，是巴拉那帕內(nèi)瑪河流域最下游電站。電站共安裝4臺單機(jī)容量為88.5 MW的軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)組，總裝機(jī)容量354 MW，保證容量為173.9 MW。電站首臺機(jī)組于1987年投產(chǎn)，其他3臺機(jī)組陸續(xù)于1994年至1996年間投產(chǎn)。電站特許權(quán)業(yè)主為中國三峽集團(tuán)巴西公司。

1.1 發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

發(fā)電機(jī)主要參數(shù)見表1。

表1 發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

1.2 存在的主要問題

2015年1號機(jī)組檢修期間，檢查發(fā)現(xiàn)有24處定子鐵心翹曲，且發(fā)現(xiàn)鐵心端部有氧化現(xiàn)象，見圖1。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)178槽至316槽上部鐵心片存在過熱點(diǎn)，主要由于定子鐵心片絕緣降低，導(dǎo)致電渦流增強(qiáng)。

圖1 1號機(jī)組定子振動(dòng)導(dǎo)致局部過熱絕緣老化圖

1994年，2號機(jī)組發(fā)電機(jī)在新投產(chǎn)調(diào)試階段，發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)有異常磁噪聲，在運(yùn)行1 000 h后，對發(fā)電機(jī)進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)定子鐵心多處松動(dòng)翹曲，見圖2。1999年，對2號機(jī)組發(fā)電機(jī)定子鐵心和線棒重新進(jìn)行安裝。

2001年，3號機(jī)組發(fā)電機(jī)B相103槽上層線棒定子接地故障。主要由于定子鐵心振動(dòng)造成線棒絕緣受損，見圖3，檢修時(shí)對線棒進(jìn)行了更換。

圖2 2號機(jī)組定子鐵心部分翹曲圖

圖3 3號機(jī)組鐵心片破損及上壓指焊縫處理圖

2014年，3號機(jī)組大修中發(fā)現(xiàn)一壓指焊縫斷裂，且在280槽、281槽、282槽上部的定子鐵心片存在變形，見圖4。

圖4 3號機(jī)組壓指焊縫斷裂和修復(fù)后的照片

2014年，4號機(jī)組發(fā)電機(jī)307號線棒絕緣損壞造成接地故障，檢查發(fā)現(xiàn)306槽與307槽上壓指焊縫斷裂松動(dòng)，見圖5。

2 故障主要原因分析

圖6、圖7為赫珊娜電站發(fā)電機(jī)定子鐵心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖和實(shí)物圖。

圖6 赫珊娜電站定子鐵心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖和實(shí)物圖

圖7 設(shè)計(jì)合理的定子鐵心結(jié)構(gòu)圖

赫珊娜電站機(jī)組的定位筋與拉緊螺桿為一體式結(jié)構(gòu)，且定位筋與定子機(jī)座環(huán)板焊接成為一個(gè)整體，定位筋不能浮動(dòng)。發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于定子鐵心與定位筋受熱膨脹速度不一樣，定子鐵心片受到定位筋的擠壓力，定子鐵心不能自由膨脹，定子鐵心易出現(xiàn)翹曲的情況。

另外赫珊娜電站發(fā)電機(jī)定子鐵心在完成壓緊后，拉緊螺桿中間與定子機(jī)座環(huán)板焊接成為整體，這種設(shè)計(jì)影響了拉緊螺栓的伸長率。而且拉緊螺桿端部未安裝有碟形彈簧，機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間后，容易造成鐵心預(yù)緊力不足。因此赫珊娜電站機(jī)組定子結(jié)構(gòu)存在一定的缺陷。

目前新改造或安裝的水輪發(fā)電機(jī)定子采用新的結(jié)構(gòu)，發(fā)電機(jī)定子的定位筋與拉緊螺桿為分體式結(jié)構(gòu)，定位筋與定子托塊之間留有間隙，定位筋為活動(dòng)結(jié)構(gòu)。在發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，定子鐵心可以在一定程度自由膨脹而不會受到定位筋的擠壓力，可有效避免定子鐵心翹曲變形。拉緊螺桿為穿心螺桿，沒有與機(jī)座焊接，且上下均安裝碟形彈簧，能保證鐵心的預(yù)緊力[1-2]。

赫珊娜電站機(jī)組由于定子的設(shè)計(jì)缺陷，在運(yùn)行過程中定子鐵心易發(fā)生松動(dòng)，鐵心振動(dòng)加大等情況，進(jìn)而會造成以下問題。

1)定子鐵心振動(dòng)加大會可能會造成定子鐵心片間的絕緣損壞，形成電渦流，導(dǎo)致定子端部溫度升高，影響線棒絕緣使用壽命。

2)定子鐵心片松動(dòng)后會與定子線棒發(fā)生相對位移，嚴(yán)重時(shí)會傷害到線棒表面絕緣，導(dǎo)致定子接地故障[3]。

3)定子振動(dòng)增大可能導(dǎo)致上壓指焊縫斷裂，進(jìn)一步造成鐵心預(yù)緊力更加不足[4]。

3 故障防范的可行性及主要措施

3.1 故障防范的可行性

機(jī)組定子絕緣等級是目前主流的F級絕緣，盡管機(jī)組的定子存在一些設(shè)計(jì)缺陷，根據(jù)綜合檢查時(shí)測得的絕緣試驗(yàn)指標(biāo)來看，發(fā)電機(jī)仍可繼續(xù)運(yùn)行。

表2中為近1年機(jī)組定子絕緣試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2 發(fā)電機(jī)近1年定子絕緣試驗(yàn)數(shù)據(jù)

此外，赫珊娜電站鐵心壓指設(shè)計(jì)有限位結(jié)構(gòu)(見圖8)，每塊壓板下方的9根壓指通過1根圓周方向的限位桿連接，以限制壓指的徑向移動(dòng)。上壓指焊接在上層鐵心片上，即使上壓指焊縫斷裂，也能確保壓指被限制在鐵心的齒部區(qū)域內(nèi)，不會向轉(zhuǎn)子方向偏移。不可能發(fā)生因上壓指松動(dòng)后進(jìn)入空氣間隙導(dǎo)致發(fā)電機(jī)掃膛事故。

上壓指松動(dòng)會造成定子鐵心振動(dòng)進(jìn)一步加大，嚴(yán)重時(shí)造成個(gè)別定子線棒絕緣受損。從2000年運(yùn)行至今，赫珊娜電站發(fā)生過2次定子接地故障以及幾起由于定子上壓指松動(dòng)導(dǎo)致定子鐵芯振動(dòng)變大，未發(fā)生過其他嚴(yán)重的發(fā)電機(jī)故障。即使發(fā)生定子接地故障，也能在很短的時(shí)間對故障進(jìn)行處理，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)總體可控。

考慮以上原因以及發(fā)電機(jī)改造的經(jīng)濟(jì)投入，如果加強(qiáng)發(fā)電機(jī)振動(dòng)監(jiān)測，優(yōu)化運(yùn)行條件，減少發(fā)電機(jī)振動(dòng)，做好預(yù)防性檢修，保持其繼續(xù)運(yùn)行的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)是可控的。

此外還可以通過對定子進(jìn)行徹底更新改造處理來防范故障，但現(xiàn)階段難以通過對上齒壓板和上壓指結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部的優(yōu)化改造來解決定子鐵心預(yù)緊力不足的問題。

主要的原因有：①定子的拉緊螺桿與定子機(jī)座焊接在一起，在不更換拉緊螺桿的前提下，不能有效解決預(yù)緊力不足的問題；②拆卸難度大，上齒壓板的固定螺母滿焊在齒壓板上，上壓指焊接在鐵心端部，如需要拆卸上齒壓板或上壓指，需要進(jìn)行打磨作業(yè)，打磨作業(yè)中產(chǎn)生的金屬粉末難以有效控制；③改造的范圍大，由于定子上齒壓板的上方有匯流排等部件，作業(yè)空間狹，不方便作業(yè)，如拆卸上齒壓板，需要將定子上齒壓板上部的匯流排等部件全部拆除。

3.2 故障防范的主要措施

3.2.1 優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行環(huán)境

根據(jù)機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線和運(yùn)行實(shí)踐數(shù)據(jù)，確定不同水頭下機(jī)組振動(dòng)區(qū)和穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，減少機(jī)組在振動(dòng)區(qū)運(yùn)行時(shí)間。

3.2.2 加強(qiáng)監(jiān)測和檢查

密切監(jiān)控機(jī)組發(fā)電機(jī)運(yùn)行情況，加強(qiáng)日常巡檢，對定子部分進(jìn)行定期檢查，檢查周期不超過4個(gè)月1次。

3.2.3 優(yōu)化監(jiān)測方法，開展小范圍的技改工作

1)增設(shè)定子鐵心振動(dòng)監(jiān)測。增加兩組定子鐵心振動(dòng)加速度傳感器， 每組1個(gè)水平和1個(gè)垂直方向測，互成90°。水平振動(dòng)傳感器安裝在定子鐵心外緣中部，垂直振動(dòng)傳感器安裝在定子鐵心上齒壓板。如圖9所示。

圖9 已增加的振動(dòng)傳感器圖

2)在定子鐵心和線棒端部增設(shè)試溫片。在定子鐵心和線棒端部粘貼試溫片，見圖10，尤其是以前上壓指松動(dòng)后經(jīng)過焊接處理的地方，用來跟蹤觀察鐵心和線棒在運(yùn)行過程中是否有局部過熱現(xiàn)象[5]。

3)增設(shè)發(fā)電機(jī)聲波檢測。研究安裝發(fā)電機(jī)聲波檢測系統(tǒng)，用于檢測機(jī)組運(yùn)行時(shí)定子鐵心振動(dòng)聲波，如出現(xiàn)鐵心松動(dòng)，能及時(shí)預(yù)警[6]。

圖10 已增加的試溫片圖

3.3 應(yīng)急管理措施

制定應(yīng)急預(yù)案，做好發(fā)生故障時(shí)的技術(shù)、人力、物資等多方面準(zhǔn)備。完成改造技術(shù)規(guī)范等文件的編制，在發(fā)生故障后能盡早啟動(dòng)招標(biāo)采購流程。與供應(yīng)商簽署一個(gè)包干合同用于緊急處理發(fā)電機(jī)缺陷等。

4 結(jié) 語

赫珊娜電站投產(chǎn)較早，受限于當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)理念，發(fā)電機(jī)鐵心設(shè)計(jì)存在先天缺陷，在機(jī)組運(yùn)行期內(nèi)曾多次發(fā)生壓指焊縫斷裂、線棒絕緣受損的故障。根本上解決該缺陷的方式是對定子部分進(jìn)行徹底改造。在進(jìn)行徹底改造前，電站運(yùn)維團(tuán)隊(duì)已采取有效的措施來控制運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

1)優(yōu)化運(yùn)維管理。運(yùn)行過程中優(yōu)化運(yùn)行工況，減少機(jī)組在振動(dòng)區(qū)運(yùn)行時(shí)間；加強(qiáng)日常維護(hù)檢查，縮短定子部分檢查周期[7]。

2)完善定子部分監(jiān)測手段。增設(shè)定子鐵心振動(dòng)傳感器、在定子鐵心和線棒端部貼試溫片。

3)積極研究采用一些技術(shù)應(yīng)用的可行性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)鐵心松動(dòng)故障，比如安裝發(fā)電機(jī)聲波監(jiān)測系統(tǒng)。

本文對同類發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)、故障處理、運(yùn)行和檢修管理有一定的參考借鑒意義。