300MW汽輪發電機定子線圈絕緣磨損的原因及防范措施

摘 要：發電機在運行中由于絕緣表面或內部放電而導致定子繞組絕緣性能下降和劣化的現象相當普遍，嚴重影響了電機的安全運行和使用壽命。給人們的經濟生活直接帶來損失，所以這個問題應引起人們的高度關注。電機在制造過程中，由于工藝原因，在其絕緣層間或絕緣層與股線間可能存在間隙。電機運行若干年后，在溫度場作用下，尤其在機組起停引起的溫度變化循環作用下，間隙會沿線棒縱向逐漸增大，從而造成發電機本身性能的下降。本文重點探討300MW汽輪發電機定子線圈絕緣磨損的原因及防范措施。

關鍵詞：定子線圈；發電機；絕緣磨損

引言

當工作電壓超過絕緣的起始放電電壓時，即產生局部放電。由局部放電引起的熱效應、機械效應和化學效應逐漸加劇，加之定子線圈油污腐蝕及定子鐵芯、槽楔、墊塊、墊條松動，定子繞組端部綁繩松動斷裂，致使線圈在運行中產生振動，造成主絕緣磨損腐蝕被擊穿，使定子絕緣性能進一步劣化，最終導致絕緣損壞。因而，對定子繞組絕緣性能及變化的監測和診斷，可用測量局部放電量及其特征的方法和定期維護相關部件來實現。當前，各國對測量局部放電量來判定電機絕緣狀態的標準尚未取得一致意見，但測量局部放電已被證實是監測和衡量電機絕緣狀態好壞的一種最有效的手段。局部放電監測裝置應達到以下要求：①監測有害的局部放電；②鑒別發生放電的類型；③診斷電機絕緣老化狀態，監測與絕緣有關的發電機各類故障[1]。

1 300MW汽輪發電機定子線圈絕緣磨損的原因

1.1 熱劣化

定子的成型繞組和散繞繞組都會發生熱劣化，這或許是定子繞組絕緣失效方面最常見的故障原因，特別是空氣冷卻的電機更是如此。熱老化有多種發展過程，這取決于絕緣的特性（熱固性還是熱塑性）和運行環境（空氣或氫氣）。在空氣冷卻的電機中，絕緣是熱固化材料，或者是現代電磁漆包線的覆膜，熱劣化本質上是氧化反應，也就是在足夠高的溫度下，絕緣有機成分內部的化學鍵有時會由于發熱引起的振動造成斷裂。當化學鍵發生斷裂時，氧通常依附在斷裂的化學鍵上，結果是使聚合物鏈變得更短，也更脆弱。宏觀地看，絕緣就是變得比較易碎，機械強度降低，同時保持絕緣層粘結為一體的能力也變差。對于散繞定子繞組的電磁線（繞組導線），因熱老化引起的絕緣脆化，在電機啟動或正常運行過程中的電磁力作用下，由于導體的振動，很容易產生裂紋。老化的絕緣也很容易從導體上剝離。這些故障進程都可以因電磁線絕緣的磨損而導致絕緣失效，并且都會引起匝間短路，導致短路部位迅速過熱，使銅導體和附近的其他絕緣燒熔，最終發生接地故障。[2]

1.2 熱循環

該機理隨主絕緣的型式分為三種類型，即是熱塑性還是熱固性絕緣，以及定子是否采用整體VPI工藝。在下述所有情況下，隨著負荷變化更迅速、定子鐵心更長、運行溫度更高和負荷變化更頻繁，熱劣化的發展速度也就更快。過去的經驗表明，該過程通常歷時10多年后可引起故障，但有些故障會提前發生。環繞裂紋/絕緣帶分層在熱塑性絕緣系統（例如瀝青云母剝片絕緣）中，產生外周環繞裂紋和絕緣帶分層是熱循環劣化的特殊型式，但很少出現在鐵心短于3m的發電機上。這種絕緣型式采用的純凈的瀝青和用快干油漆改良的瀝青，或者完全是熱塑性的，或者是具有較低的玻璃化溫度，在電機投運初期，即使是在正常的運行溫度下，絕緣也非常柔軟，并且物理強度非常低。當瀝青絕緣系統用于空氣冷卻的發電機時，由于氧化的作用，在運行溫度下就可以使瀝青硬化，并最終成為難熔態物質，同時，快干油漆逐漸增加玻璃轉換溫度，隨時間的延長而變得更強韌。這種絕緣的發電機如果用于帶基本負荷，幾乎不存在熱循環情況下，就可能持續運行幾十年而不會產生環繞裂紋。如果一個新的瀝青云母一剝片絕緣繞組執行調峰運行，或者其他的周期性運行方式，并且定子長度超過3m，其產生環繞裂紋的風險就增高很多。若已經帶基本負荷運行多年，然后才轉為循環性負荷方式，則通常不會發展出環繞裂紋。原帶基本負荷的發電機轉換為帶周期性循環負荷運行，也能夠把原來令人滿意的發電機轉變為一臺存在環繞裂紋問題的發電機。環繞裂紋的產生機理很復雜，而槽內的絕緣就不可能自然而然地隨銅線運動，因此瀝青和某些其他的熱塑性絕緣系統在服役期間的特性之一，就是絕緣膨脹到冷卻風道中，造成局部風路堵塞。結果是絕緣內部的拉伸應力增高到可能足以使絕緣包帶開始分層，發生分層的部位可能在槽外區域，或者在槽內靠近出槽口位置。由于熱軟化，絕緣也要伸出槽外，有時形成的凸起也要限制絕緣與銅線的運動，而當發電機負荷降下來并且銅線冷卻的時候，運動的方向是返回槽內。一次熱循環，與帶基本負荷一樣，是不會有問題的[3]。

2 防范措施

2.1 確定過熱根本原因

清掃繞組端部以改善氣流，解決不了因股間短路引起環流而造成的過熱問題，而應取決于過熱的根本原因。因此，選擇具體維修方法前，必須找到過熱的根本原因。考慮到絕緣本身的熱劣化是不可逆轉的（除非重繞），通過適當的維修或改變運行方式以減緩熱劣化的速度，能夠延長繞組壽命。值得關注的是，為避免重繞的高昂費用，有幾家電力公司研發出一種針對劣化主絕緣的環氧注入方法。這種新方法可能適用范圍有限，例如用于膠合云母箔的繞組，而且還不清楚這種方法的長期效果如何。過熱采取的維修措施包括清掃繞組和熱交換器，疏通冷卻器的堵風處，改善冷卻風（空氣或氫氣）的流動，使得鐵心和繞組的熱量能更高效地傳導出來。重新打緊槽楔及加強側面固定和（或）進行再次VPI或普通浸漆和烘干，以改善定子線圈和鐵心間的熱接觸。值得注意的是，如果線圈已經很緊，后一種措施因增加額外的絕緣膜，通風截面將更加有限，因此反而可能增加繞組運行溫度。確保各相所承受的電壓互差在1%以內。

2.2 簡化劣化速度

循環的影響是不可逆的，因此如果故障過程已經造成明顯的絕緣劣化，該定子繞組就無法恢復到全新的狀態。不過，以下方法可以有效減緩劣化速度：減緩功率增加或減少的變化速率，使鐵心、銅導體和絕緣的發熱盡可能均衡，減少收縮和膨脹之間的差異。通過埋置在定子繞組的熱電阻（RTD）或熱電偶（TC）測量定子繞組的溫度，獲知在負荷突然增加或減少后定子溫度達到穩定的時間，以此確定達到接近熱均衡的時間，該時間取決于電機的尺寸和冷卻方法，典型值是10～30min。降低最大允許負荷以降低繞組運行時的最高溫度。在較低的溫度下，環氧、聚酯以及瀝青都有更高的耐受剪切應力的粘結強度。讓發電機的功率因數接近1.0運行，以減小負荷電流，從而減小電阻損耗。

3 結語

由于發電機在實際的應用中相關的原因可能層出不窮，防護措施或許多種多樣，筆者在此闡述了認為對分析人員更客觀、準確地認識汽輪發電機相關情況，并且采取相應措施來處理這種應用情況的相關方法。本文著重介紹汽輪發電機定子線圈絕緣磨損的原因及防范措施方面相關監控、已發生的問題的原因、防范措施等。從原理上對比分析說明了相關原因以及防范措施，對于相關工作人員認識該問題、及早發現問題、解決問題有一定的指導意義。

參考文獻

[1]李大厚，云華. 發電機定子線圈端部絕緣支架損壞的原因分析與修復方案[J].電氣技術，2012.04：145-146.

[2]孔慶斌.空冷200MW汽輪發電機定子線圈SVPI制造工藝研究[J].黑龍江科技信息，2012.04：76-78.

[3]蘭生平，馬梅霞.越南嘉興水電廠發電機定子線圈損傷的修復[J]. 紅水河，2012.04：98-100.