發(fā)電機(jī)定子鐵損試驗(yàn)中繞組接地問題探討

陳 春，陳春林，陳優(yōu)良

(國(guó)網(wǎng)江西省電力公司柘林水電廠，江西 九江 332000)

2012年底，某水電廠6號(hào)發(fā)電機(jī)大修前定子繞組直流耐壓及泄漏電流試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)定子繞組W相絕緣缺陷。拔線棒對(duì)定子鐵芯處理后做定子鐵損試驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)接地線過熱燒紅現(xiàn)象。

1 水電廠概況

該水電廠于1958年秋開工興建，至1975年6月A廠4臺(tái)機(jī)組全部建成，其總?cè)萘繛?80?MW。1999年開工擴(kuò)建B廠2臺(tái)120?MW發(fā)電機(jī)組，2001年12月擴(kuò)建首臺(tái)機(jī)組發(fā)電，2002年5月第2臺(tái)機(jī)組發(fā)電，總裝機(jī)容量增至420?MW。擴(kuò)建后該水電廠分為A，B?2個(gè)生產(chǎn)廠區(qū)：A廠生產(chǎn)區(qū)是4×45?MW的混流式機(jī)組；B 廠是 2×120?MW 的混流式機(jī)組。

2 定子缺陷

該水電廠6號(hào)發(fā)電機(jī)(SF120—80/14800型、P=120?MW，UN=15.75?kV)系哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司產(chǎn)品，2002年5月投運(yùn)。2012年底，該發(fā)電機(jī)進(jìn)行投運(yùn)后首次大修。在大修前的直流耐壓及泄漏電流試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)定子W相繞組泄漏電流異常，經(jīng)分析為W相下分支絕緣存在缺陷。

吊出轉(zhuǎn)子后檢查，發(fā)現(xiàn)定子鐵芯波浪度較差，多處局部銹蝕、松動(dòng)，部分齒部已經(jīng)脫落形成空洞、斷裂未脫落的矽鋼片劃傷定子線棒主絕緣。定子鐵芯銹蝕、松動(dòng)及絕緣損壞情況如下：4槽—5槽下端部齒壓板處沖片斷裂4～5片，上層線棒下齒壓板處主絕緣破損大約2～3?mm深；18槽中下部、129槽下端部、130槽上端部、157槽上端部、160槽上端部、253槽—270槽下端部、283槽—284槽上端第1片沖片斷裂劃傷284槽上層線棒主絕緣，深度約1?mm；417槽下端部齒壓板處沖片斷裂4～5片，上層線棒下齒壓板處主絕緣破損大約2～3?mm深。對(duì)以上缺陷形成了較大空洞的地方(如4槽—5槽下端部、417槽下端部等)用環(huán)氧楔子板和環(huán)氧樹脂進(jìn)行了填充。

3 定子鐵損試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

發(fā)電機(jī)定子鐵芯是由硅鋼片疊合組裝而成的。由于制造和檢修可能存在的質(zhì)量問題，或在運(yùn)行中熱和機(jī)械力的作用，可能引起片間絕緣損壞，造成短路，并在短路區(qū)域形成局部過熱，威脅機(jī)組的安全運(yùn)行。

在發(fā)電機(jī)交接時(shí)或運(yùn)行中，懷疑鐵芯絕緣有問題時(shí)或鐵芯全部或局部修理后，需進(jìn)行定子鐵芯的鐵損試驗(yàn)，以測(cè)定鐵芯單位質(zhì)量的損耗，測(cè)量鐵軛和齒的溫度，檢查各部溫升是否超過規(guī)定值，從而綜合判斷鐵芯片間的絕緣是否良好。按照相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程，試驗(yàn)時(shí)定子鐵芯軛部磁通密度應(yīng)達(dá)到10?000?G。

3.2 接地線過熱

在發(fā)電機(jī)定子鐵損常規(guī)試驗(yàn)中，抽出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子后，應(yīng)將定子繞組三相短路接地。但如果定子繞組有尚未消除的接地點(diǎn)時(shí)，繞組只需短路，不可再接地，以免多點(diǎn)接地使鐵芯燒壞。由于這次更換了定子線棒，并且是在對(duì)定子繞組進(jìn)行了絕緣電阻測(cè)試合格后才進(jìn)行的鐵損試驗(yàn)，因此在試驗(yàn)時(shí)將所有解開并頭套的線棒兩端均裝設(shè)了接地線。但在試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)接地線有過熱燒紅現(xiàn)象。

3.3 接地線過熱原因分析

3.3.1 定子鐵芯相關(guān)資料

定子鐵芯的結(jié)構(gòu)如圖1所示，各部分的具體參數(shù)如下：

(1)?鐵芯外徑：D1=14?800?mm；

(2)?鐵芯內(nèi)徑：D2=14?160?mm；

(3)?鐵芯高度：L1=1?380?mm；

(4)?鐵芯槽深：hc=137.5?mm；

(5)?通風(fēng)溝高：b=6?mm；

(6)?通風(fēng)溝數(shù)：N=38；

(7)?硅鋼片牌號(hào):50 W 270；

(8)?疊壓系數(shù)：K=0.95；

(9)?鐵芯軛部截面：S1=1?997.28?cm2。

圖1 定子鐵芯的結(jié)構(gòu)示意(未嚴(yán)格按照比例畫圖)

3.3.2 原因分析

解開了并頭套(或過橋)后，如果將單根線棒的上、下端頭分別通過定子基座上、下部接地，就形成了由線棒、接地線、定子基座構(gòu)成的環(huán)定子軛部(其中的磁通密度為10?000?G)的閉合回路。

回路未閉合時(shí)，感應(yīng)的電壓為：

式中：

B——磁感應(yīng)強(qiáng)度，G；

S1——定子繞組形成的閉合空間截面，cm2；

f——頻率，Hz；

W1——由接地線、線棒、定子基座形成的短路回路匝數(shù)，匝。

當(dāng)回路閉合時(shí)，將產(chǎn)生很大的電流而導(dǎo)致接地線過熱燒紅。所以，是將線棒兩端接地導(dǎo)致了接地線過熱燒紅的后果。

4 定子繞組不接地時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓分析

4.1 定子線棒相關(guān)資料

(1)?環(huán)氧半導(dǎo)體層壓板：1?mm×29.5?mm×1?384?mm；

(2)?半導(dǎo)體適形材 (上下層線棒間)：4?mm×29.5?mm×1?384?mm；

(3)?半導(dǎo)體適形材 (下層線棒)：2?mm×29.5?mm×1?384?mm；

(4)?槽楔厚度：4?mm；

(5)?線棒截面：寬29.8?mm，長(zhǎng)(137.5-1-4-1-4)/2 ＝ 63.75?mm；

(6)?定子線棒槽數(shù)：576槽；

(7)?槽號(hào)編排：由內(nèi)圓向外展開順時(shí)針方向；

(8)?定子繞組形成的閉合空間截面：S2=1?384×(63.75×2+2)/100=1?792?cm2。

4.2 正常(未解開并頭套)定子繞組中的感應(yīng)電壓

以W相下分支為例來進(jìn)行分析，假設(shè)將定子沿軸向剖開，面向定子基座從右向左看鐵芯剖面，上、下層定子線棒間形成的環(huán)形回路分布情況如表1所示。

表1 上、下層定子線棒間形成的環(huán)形回路分布

從表1中可以看出順時(shí)針和逆時(shí)針的圈數(shù)均為48圈。如果整個(gè)分支中沒有解開并頭套或過橋，鐵損試驗(yàn)時(shí)首末端間的感應(yīng)電壓理論上為0。4.3?解開并頭套后繞組中的感應(yīng)電壓

如果解開了一些并頭套(或過橋)，可能產(chǎn)生的最高電壓的情況是在連續(xù)出現(xiàn)24圈順時(shí)針走向的繞組(即上表中序號(hào)16項(xiàng))兩端斷開時(shí)。下面對(duì)該24圈繞組兩端的電壓進(jìn)行分析。

4.2.1 磁導(dǎo)率

在分析介質(zhì)的導(dǎo)磁性能時(shí)，通常使用磁介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率μr對(duì)介質(zhì)進(jìn)行分類。對(duì)于非鐵磁介質(zhì)而言，順磁介質(zhì)μr>1；抗磁介質(zhì)μr<1，但兩者的μr都與1相差無幾。例如：制作線棒的銅導(dǎo)體是抗磁介質(zhì)，相對(duì)磁導(dǎo)率等于0.9999。在鐵磁介質(zhì)中，B與H的關(guān)系是非線性的磁滯回線，μr不是常量，與H有關(guān)，其數(shù)值遠(yuǎn)大于1。例如：鑄鐵相對(duì)磁導(dǎo)率為 200～400；硅鋼片為 7?000～10?000；鎳鋅鐵氧體為 10～1?000，坡莫合金為 20?000～200?000。如果取銅導(dǎo)體的相對(duì)磁導(dǎo)率為1，硅鋼片為10?000，在外加相同的磁場(chǎng)強(qiáng)度下，則通過硅鋼片的磁通密度是通過銅導(dǎo)體的10?000倍。

4.2.2 電壓計(jì)算

對(duì)于該水電廠6號(hào)發(fā)電機(jī)，鐵損試驗(yàn)中的外加磁場(chǎng)強(qiáng)度約為215～230?A/m，可在鐵芯軛部產(chǎn)生約 10?000?G 的磁通密度 (根據(jù)B=μH)，但對(duì)于定子線棒及半導(dǎo)體適形材等材料的相對(duì)磁導(dǎo)率約等于1，所以根據(jù)B=μH，230?A/m的磁場(chǎng)強(qiáng)度在定子繞組形成的閉合空間中產(chǎn)生的磁通密度約為：

上式中：

μr——定子線棒及半導(dǎo)體適形材等材料的相對(duì)磁導(dǎo)率，約等于1；

μ0——真空磁導(dǎo)率4π×10-7N/A2；

H——磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；

1T=104G。

則該24圈繞組兩端的感應(yīng)電壓為：

上式中：

B——磁感應(yīng)強(qiáng)度，G；

S2——定子繞組形成的閉合空間截面，cm2；

f——頻率，Hz；

W2——繞組匝數(shù)，匝。

由此可知，在解開并頭套后，整個(gè)定子繞組中任意2點(diǎn)間的電壓都不會(huì)超過0.26?V。

5 錯(cuò)誤接地的原因分析及調(diào)整

綜上所述，此臺(tái)發(fā)電機(jī)進(jìn)行定子鐵損試驗(yàn)時(shí)，在正常情況下定子繞組中任意2點(diǎn)間的電壓都不會(huì)超過0.26?V；但如果將其某點(diǎn)接地，則另一端就可能會(huì)產(chǎn)生對(duì)地幾十伏的電壓。如果將絕緣不良的定子繞組三相短路接地，就會(huì)燒壞繞組絕緣不良處的定子鐵芯；而將解開并頭套的線棒采用錯(cuò)誤的方法將兩端接地也會(huì)產(chǎn)生環(huán)流使接地線過熱，無法正常試驗(yàn)。因此，必須分析產(chǎn)生錯(cuò)誤接地的原因，并根據(jù)不同的條件，采取不同的接地方式，以避免產(chǎn)生不良后果。

5.1 錯(cuò)誤接地的原因

在高電壓試驗(yàn)中，通常將被試設(shè)備的非被試?yán)@組短路接地。如：在發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣電阻試驗(yàn)、直流耐壓及泄漏電流試驗(yàn)和交流耐壓試驗(yàn)中，必須將非被試相短路接地；在變壓器繞組的絕緣電阻試驗(yàn)、泄漏電流試驗(yàn)及介損試驗(yàn)中，必須將非被試?yán)@組短路接地。所以，容易使試驗(yàn)人員形成思維定勢(shì)，認(rèn)為被試設(shè)備的非被試?yán)@組就應(yīng)該短路接地，沒有深入理解各項(xiàng)試驗(yàn)中接地的目的。而在發(fā)電機(jī)定子的鐵損試驗(yàn)中也要求定子繞組(無絕緣缺陷、沒解開并頭套時(shí))三相短路接地，因此，試驗(yàn)人員在這種思維定勢(shì)影響下，就盲目地將所有解開并頭套的線棒兩端接了地。

5.2 調(diào)整接地方式

對(duì)這臺(tái)處理缺陷后解開了線棒并頭套的發(fā)電機(jī)進(jìn)行定子鐵損試驗(yàn)時(shí)，接地方式應(yīng)做相應(yīng)調(diào)整。

規(guī)程規(guī)定的接地方式：發(fā)電機(jī)定子鐵損試驗(yàn)中，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子抽出后，將發(fā)電機(jī)定子繞組三相短路接地(如定子繞組有尚未消除的接地點(diǎn)時(shí)，則繞組只須短路，不可接地，以免多點(diǎn)接地使鐵芯燒壞)。

調(diào)整后接地方式：將所有解開并頭套的線棒下端接地，線棒上端(距地面高度2.5?m以上且在試驗(yàn)中定子鐵芯上部不允許有人)和三相繞組引線出口處(位于定子基座外側(cè)，離地面高度2?m左右)懸空，并在三相繞組引線出口處設(shè)置圍欄。

1?李建明，朱??康．高壓電氣設(shè)備試驗(yàn)方法(第2版)[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2001.

2?陳化鋼．電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)實(shí)用技術(shù)問答[M]．北京：中國(guó)水利水電出版社，2009.

3?王益民，王津生，張伯禮，等．磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度??的單位及相互關(guān)系[J]．天津中醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，17(4)：43．