透平發(fā)電機絕緣干燥方法研究及其實際應用

李光明

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150000)

0 引言

在沿海城市或熱帶雨林地區(qū)，空氣濕度長期在80%以上，該地區(qū)電站安裝發(fā)電機設備過程中，如果維護不當，極易造成發(fā)電機絕緣受潮。發(fā)電機在正常安裝或停機維護過程中，應該及時開啟加熱器以保證發(fā)電機膛內干燥。加熱器應該安裝在發(fā)電機進風口附近或者發(fā)電機底部風室腔內，這樣干燥效率會比較高。如果發(fā)電機在安裝或停機維護過程中沒有及時開啟加熱器或加熱器效率過低，均會導致發(fā)電機絕緣受潮及絕緣電阻值降低。在介紹常規(guī)發(fā)電機絕緣干燥維護方法的基礎上，提出在特殊條件下全氫冷燃氣輪發(fā)電機迅速去除潮濕提高絕緣電阻值的有效方法及實際運用。

1 透平發(fā)電機絕緣干燥介紹

發(fā)電機在出廠裝運甚至在電站安裝過程中，其絕緣電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象比較常見，我們通過測量其極化指數(shù)或者吸收比來進行評估。測量發(fā)電機定子絕緣之前，需要確保發(fā)電機引出線與外部的封閉母線、中性點接地、局部放電、中性點隔離變壓器等所有連接均斷開，否則就相當于多個對地電阻并聯(lián)而導致測量結果偏低。一般情況下定子繞組絕緣極化指數(shù)在2.5以上，轉子繞組在1.25以上標志著發(fā)電機比較清潔干燥。實際上國內電網(wǎng)一般要求發(fā)電機定子繞組可以不經(jīng)過干燥處理直接啟機運行的條件是：吸收比不小于1.6或極化指數(shù)不小于2.0；40 ℃時三相繞組并聯(lián)對地絕緣電阻值不小于(Un+1)MΩ(取Un的千伏數(shù)，下同)。分相試驗時，不小于2(Un+1)MΩ(若定子繞組溫度不是40 ℃，絕緣電阻值應進行換算)。如果要做耐壓試驗，建議極化指數(shù)要在2.5以上[1]。燃機發(fā)電機在旋轉整流模塊上的測試電壓不應該超過500 V，在定子繞組上使用正常伺服電壓，允許有較低的極化指數(shù)，其中使用500 V搖表測量60 s定子絕緣電阻應該接近80 MΩ以上，轉子絕緣電阻達到20 MΩ以上。低于以上值建議進行干燥處理。

發(fā)電機可以采用“開路法”和“短路法”進行干燥，這兩種方法都很有效，區(qū)別在于“短路法”不可用于具有聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電機。干燥過程應該在發(fā)電機處于空氣介質環(huán)境中進行，發(fā)電機需要符合汽輪機運行要求，處于低速運轉(50%～100%額定轉速)。

1.1 水冷發(fā)電機

水冷發(fā)電機絕緣干燥過程中應該注意：(1)用搖表測量定子繞組絕緣之前應該將定子繞組內部的水徹底抽干(使用水內冷發(fā)電機絕緣測試儀除外)。(2)進入離子交換器的循環(huán)水不應超過50 ℃。(3)如果只需要給轉子除潮，可在定子通水環(huán)境下進行，控制定子出水溫度在70～80 ℃范圍內，可以加快轉子除潮速度。

1.2 利用LCI(Load Commutated Inverter負載換相式電流源型變頻器)變頻啟動的汽輪發(fā)電機

利用LCI啟動裝置作為發(fā)電機的啟動電源，在給發(fā)電機絕緣進行干燥時應該注意以下幾點：(1)不適合采用“短路法”進行除潮。(2)當LCI通電并與發(fā)電機端導通時，低于額定轉速的發(fā)電機必須和汽輪機按正常啟動程序下的轉速要求保持一致(不推薦這種依靠變頻啟動并保持低速運轉的除潮方法，會比較危險)。(3)全氫冷發(fā)電機在空氣介質中利用LCI啟動并低速運轉時，要保證停止余熱鍋爐熱啟動，停止水洗和凈化等系統(tǒng)的運行[2]。(4)LCI停止啟動并與發(fā)電機線路斷開時可以使用“開路法”進行發(fā)電機除潮，需要利用其它裝置實現(xiàn)轉子旋轉并控制轉子轉速。

1.3 發(fā)電機“開路法”除潮

“開路法”可以應用于一般所有機型，包括聯(lián)合循環(huán)的機組。轉子在50%～100%的額定轉速范圍內運轉，額定轉速勵磁時，轉子的勵磁電流在定子上感生端電壓，不應該超過115%的額定端電壓。控制轉子最高溫度不超過100 ℃，定子線圈溫度不超過80 ℃。降低轉速或勵磁，使發(fā)電機線圈溫度達到最高溫度，維持不少于6 h。發(fā)電機上的冷卻器可以通入一定溫度的水，控制水流使冷卻器的出風溫度在55～65 ℃。在以上干燥過程中，要求在正常時間間隔內讀取并記錄相關數(shù)據(jù)。關注絕緣電阻隨時間變化曲線，也包括從發(fā)電機排出的氣體濕度變化，定子繞組、轉子繞組溫度變化情況。隔6～8 h后停機，穩(wěn)定后用搖表測量發(fā)電機絕緣電阻情況。

1.4 發(fā)電機“短路法”除潮

將發(fā)電機定子繞組三相引出線全部短接，整個電路包括電流互感器(出線罩內)和線圈繞組。按照汽輪機運行要求發(fā)電機轉子在接近額定半速條件下運行，轉子可以通入直流電流并應注意以下幾點：(1)傳統(tǒng)空冷、氫冷發(fā)電機，轉子勵磁電流在定子感生短路電流，達到其額定電流的56%。(2)油冷發(fā)電機，轉子勵磁電流要求定子感生短路電流，達到其額定電流的35%。(3)油冷或水冷發(fā)電機，在冷卻液抽空或者不循環(huán)的條件下，轉子勵磁電流要求定子感生短路電流，達到其額定電流的28%。除了以上需要注意的幾點，在“開路法”中對于溫升、時間的控制也適用于本方案。

1.5 通入直流電流對轉子進行干燥(靜態(tài))

本方法中轉子是靜止狀態(tài)，且屬于轉子繞組內部受潮，測量轉子絕緣電阻非常低(低于500 kΩ)。需要維持在100～110 ℃增加除潮速度的情況時，本方法是最好的選擇，但電機運轉情況下維持以上溫度并不現(xiàn)實。靜止狀態(tài)下，轉子集電環(huán)電刷不應該和轉子集電環(huán)接觸，通直流的銅導線應該直接和轉子集電環(huán)相連。銅導線接頭應該和集電環(huán)有足夠大的接觸面，確保轉子集電環(huán)表面不會過熱。

四極轉子，可以通入空載勵磁電流的50%，兩極轉子，可以通入空載勵磁電流的25%。狀態(tài)穩(wěn)定之前，如果以上電流值并不能提高相應轉子繞組溫度，使其達到100～110 ℃，可以考慮將原轉子通入的電流增加5%。每增加5%的電流將會使轉子繞組的溫度相應提高10%。要注意標準的臨時熱電偶或者一般溫度計應該固定在轉子兩端護環(huán)中心處相應底匝線圈表面處，和根據(jù)轉子絕緣電阻推算出來的轉子平均溫度對照并一起進行監(jiān)控。由于沒有轉子本體的體積大，轉子繞組端部和轉子護環(huán)容易較快加熱，所以要在該部位進行監(jiān)控。加熱轉子時，加強其周圍的空氣流通可以提高除去轉子表面潮濕的速度。可以考慮打開端蓋或者人孔蓋板，用風扇往轉子表面吹風[3]。

通過測量轉子直阻，可以參考下面公式計算轉子溫度：

(1) 銅線(含銀)繞組

(2) 鋁線繞組

式中：T為轉子繞組熱態(tài)溫度℃；R1為轉子繞組冷態(tài)(溫度為t時)直流電阻Ω；R2為轉子繞組熱態(tài)(溫度為T時)直流電阻Ω；t為轉子繞組的冷態(tài)溫度℃。

R1、R2可以直接用精度比較高的量表直接測量，轉子冷態(tài)的直流電阻推薦使用直流雙臂電橋測量。

2 實際應用和具體改進

在燃機發(fā)電機實際安裝過程中尤其在穿轉子后到端蓋軸承油密封投運之前，發(fā)電機內部和周圍環(huán)境沒有隔絕，發(fā)電機定子和轉子絕緣受周圍環(huán)境濕度的影響很大。即使投入加熱器依然效果甚微，其根本原因是由于加熱器安排的位置并不合理。該結構發(fā)電機汽、勵端加熱器均分布于內端蓋和大端蓋之間，且處于水平中心線以上位置見圖1，加熱器所產(chǎn)生的熱量被內端蓋阻擋，很難進入發(fā)電機定子、轉子繞組表面。在端蓋軸承油密封系統(tǒng)投運之后，轉子可以進行盤車操作，而由于盤車速度有限，加熱器產(chǎn)生的熱量無法充分得到循環(huán)，除去發(fā)電機內部潮濕的效果并不明顯。發(fā)電機進行到盤車階段，接下來就是啟機或進一步調試，此時發(fā)電機絕緣受潮成為制約工程進展的重大因素。

圖1 發(fā)電機加熱器安裝位置示意圖

燃機發(fā)電機有別于常規(guī)燃煤汽輪發(fā)電機的啟動方式，在于燃機發(fā)電機需要通過變頻啟動并拖動燃氣輪機達到自持轉速[4-5]，所以無法按照常規(guī)汽輪發(fā)電機方式啟機，并在額定轉速下空轉達到高效除潮的目的。在準備啟機調試之前，橫琴1#燃機發(fā)電機由于絕緣受潮其定子絕緣電阻R60S低于80 MΩ，無法用LCI直接啟動的方法去對發(fā)電機進行干燥，更不具備“開路法”和“短路法”干燥發(fā)電機的條件。對于轉子采用1.5章節(jié)的方法進行快速干燥，集電環(huán)勵磁刷架采用四個熱光燈集中加熱的方法，均有效的在本項目中得到實際應用。

圖2 用焊接機作為直流電源接線簡圖

針對該燃機發(fā)電機定子無法正常進行絕緣干燥問題，提出在發(fā)電機進氣管道通入80 ℃的熱空氣，由于進氣量有限，在實際操作過程中收效甚微。為此采用直接在定子繞組輸出端直接通入直流電流的辦法，快速有效地提高發(fā)電機絕緣電阻。實際操作過程中選擇焊接機直接和電樞繞組輸出端形成回路如圖2所示[6]。

理論上選擇輸出直流電流在1 800 A，每相電流約600 A，本臺定子每相直流電阻(75 ℃)0.001 071 Ω，經(jīng)過理論估算每小時線圈能夠提高溫度1 ℃，再根據(jù)在線檢測定子繞組，線圈實際溫度值控制輸出直流電流值。在實際操作過程中沒有采用這么高的電流，直流電源輸出電流控制在400～500 A，在加熱48 h后線圈溫度平均達到55 ℃，比原來溫度增長了6～10 ℃，定子繞組各相絕緣電阻已經(jīng)有了明顯的增加，R60S增長到200～500 MΩ左右見表1，具備了啟機條件和做交流耐壓試驗條件。全氫冷燃機發(fā)電機不做定子繞組泄漏電流和直流耐壓試驗，交流耐壓試驗按照2Un，1 min標準執(zhí)行。

3 總結

燃汽輪發(fā)電機特殊的啟機方式制約著其絕緣干燥方法的選擇，結構上應該考慮在發(fā)電機繞組底部增加加熱器，這樣在停機時更有利于進行發(fā)電機絕緣維護。利用焊接機作為直流電源只和發(fā)電機定子繞組端部連接，直接加熱定子線棒的方法是可行有效的。

表1 發(fā)電機絕緣電阻和吸收比變化