深溪溝電站發(fā)電機(jī)定子絕緣盒樹脂發(fā)黑原因分析及處理

袁永智，李曉飛

（國電大渡河檢修安裝有限公司，四川 樂山 614900）

1 電站概況

深溪溝水電站位于四川省漢源縣，為大渡河干流規(guī)劃的第十八級(jí)電站，其上一梯級(jí)為瀑布溝電站，下一級(jí)為枕頭壩電站。電站裝機(jī)四臺(tái)，總裝機(jī)容量為660 MW，發(fā)電機(jī)單機(jī)輸出額定功率為165 MW。4臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組投運(yùn)日期：1#機(jī)，2010年7月；2#機(jī)，2010年11月；3#機(jī)，2011年5月；4#機(jī)，2011年6月。額定功率為165 MW，額定電壓為15.75 kV，額定轉(zhuǎn)速為90.9 r/min，額定功率因數(shù)為 0.9（滯后），額定頻率為 50 Hz，發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF165-66/13640，發(fā)電機(jī)型式為三相交流、立軸、同步、密閉循環(huán)空氣冷卻，半傘式結(jié)構(gòu)；定子槽數(shù)為585，3支路波繞組；鐵心尺寸為Φ13640；定子采用現(xiàn)場機(jī)座把合、鐵心疊裝和繞組下線工作。

2 故障概況

深溪溝3F機(jī)組在運(yùn)行時(shí)，發(fā)生定子線棒擊穿現(xiàn)象。處理定子線棒故障過程中，絕緣盒拆除時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣盒樹脂存在不同程度的變黑、未固化等不良情況，其中與線棒端頭或連接片緊貼位置的樹脂出現(xiàn)了焦化的現(xiàn)象，未固化的樹脂有明顯的柔軟性。

3 絕緣盒老化分析

絕緣盒內(nèi)樹脂老化主要有熱老化和電老化兩方面。

3.1 熱老化

深溪溝發(fā)電機(jī)所用絕緣盒樹脂的主要成分為E44（低分子量液態(tài)雙酚A環(huán)氧樹脂）、H4（650低分子聚酰胺）、石英粉、501稀釋劑（環(huán)氧丙烷丁基醚，是一種線型的脂肪族單環(huán)氧基稀釋劑）。其中501稀釋劑的主要作用為降低體系粘度，但它不會(huì)揮發(fā)，會(huì)參與固化反應(yīng)，若添加量過大，就會(huì)造成固化后體系交聯(lián)度不足，引起固化物發(fā)軟，耐熱性下降，容易老化的情況。而若添加了過量的丙酮稀釋劑，在固化過程中丙酮會(huì)隨著反應(yīng)熱的產(chǎn)生揮發(fā)，造成樹脂固化后表面及內(nèi)部產(chǎn)生氣孔。固化物呈現(xiàn)松散結(jié)構(gòu)，降低其耐熱性。見圖1、圖2。

圖1 熱老化造成的絕緣發(fā)黑

圖2 稀釋劑揮發(fā)造成的表面氣孔

熱老化可分為兩種情況：熱老化和熱氧老化。前者是在熱量作用下發(fā)生降解反應(yīng)，包含聚合物主鏈的斷裂和側(cè)基消去，表現(xiàn)為熱失重；后者是發(fā)生氧化反應(yīng)，前期主要生成過氧化氫，在熱的作用下過氧化氫加速分解，產(chǎn)生自由基引發(fā)一系列反應(yīng)，表現(xiàn)為材料吸氧量增加，多數(shù)材料會(huì)出現(xiàn)顏色變化。這兩種老化都會(huì)造成材料的脆化，主要和分子量變小，易于形成球晶有關(guān)。見圖3、圖4。

圖3 典型的幾種材料熱老化機(jī)理

圖4 熱氧老化機(jī)理

3.2 電老化

絕緣盒樹脂一般承受的電場較低，因此不會(huì)發(fā)生樹脂內(nèi)部氣孔引起的局部放電問題。但若樹脂和導(dǎo)體之間存在間隙，由于感應(yīng)電荷聚集，導(dǎo)體之間和樹脂之間會(huì)出現(xiàn)微小放電。長期持續(xù)發(fā)生，也會(huì)造成樹脂的劣化。見圖5。

圖5 與導(dǎo)體接觸位置微放電腐蝕造成絕緣小孔洞及發(fā)黑

4 深溪溝絕緣盒發(fā)黑（老化）原因分析

絕緣盒內(nèi)樹脂發(fā)黑（老化）包括以下幾個(gè)方面絕緣盒所用樹脂耐熱性不良、機(jī)組運(yùn)行溫度過高、線棒連接板焊接質(zhì)量不良造成溫度過高及絕緣盒內(nèi)樹脂固化不良等幾個(gè)方面。

1）絕緣盒所用樹脂耐熱性不良

深溪溝發(fā)電機(jī)絕緣盒樹脂采用的是成熟的三組份+稀釋劑的方案。即填充樹脂由按一定比例的“環(huán)氧:固化劑:石英粉”+施工用稀釋劑的絕緣結(jié)構(gòu)。這種絕緣方案國內(nèi)有大量的業(yè)績和試驗(yàn)證明，“三組份+稀釋劑”絕緣盒樹脂在按要求配比混合均勻固化后，其絕緣性能完全滿足要求。分析不成立。

2）機(jī)組運(yùn)行溫度過高

絕緣盒實(shí)際運(yùn)行過程中的實(shí)測溫度小于100℃，遠(yuǎn)未達(dá)到運(yùn)行允許的最高溫度。在此溫度下，正常絕緣盒樹脂長期運(yùn)行不會(huì)出現(xiàn)發(fā)黑的劣化狀態(tài)，分析不成立。

3）線棒連接板焊接質(zhì)量不良造成溫度過高

現(xiàn)場396槽上層線棒更換相關(guān)的絕緣盒拆除、端頭連接片熔開后，發(fā)現(xiàn)有未熔透現(xiàn)象，可以推測部分線棒端頭焊接不良，使絕緣盒運(yùn)行溫度升高，也是絕緣盒樹脂劣變的因素之一。絕緣盒內(nèi)部銅連接片和絕緣盒表面溫差，見表1。

表1 絕緣盒內(nèi)部銅連接片和絕緣盒表面溫差

由計(jì)算結(jié)果可知，繞組端部運(yùn)行溫度遠(yuǎn)低于允許溫度，此項(xiàng)原因有可能。

4）絕緣盒內(nèi)樹脂固化不良

由于絕緣盒在現(xiàn)場安裝過程中，樹脂澆注過程中使用稀釋劑過量，致使樹脂固化不良，表現(xiàn)為固化后樹脂變?yōu)閺椥泽w，未完全硬化。固化不良造成樹脂耐熱性明顯降低、粘結(jié)性降低。因?yàn)楣袒怀浞种率箻渲膶?shí)際耐熱性能降低接近運(yùn)行溫度，容易發(fā)生樹脂劣化色變。并且原絕緣盒樹脂澆注之前對(duì)線棒端頭及連接板表面氧化層清除不充分，使樹脂與導(dǎo)電體的粘接更差，運(yùn)行一段時(shí)間后樹脂與導(dǎo)體之間局部或大面積產(chǎn)生間隙，并且過量稀釋劑在樹脂與導(dǎo)體之間也會(huì)形成孔洞空隙，在機(jī)組運(yùn)行過程中，這些間隙或空隙發(fā)生微放電致使樹脂出現(xiàn)焦化甚至發(fā)黑的劣化情況。見圖 6～ 圖 9。

圖6 2017年絕緣盒拆開殘片照片

圖7 粘結(jié)不良造成電腐蝕發(fā)黑

圖8 使用過量稀釋劑形成的大量氣泡

圖9 粘結(jié)不良造成電腐蝕發(fā)黑

從以上情況判斷，樹脂稀釋劑過量、固化不良是造成絕緣盒樹脂老化嚴(yán)重，出現(xiàn)焦化、發(fā)黑、開裂等不良情況是原先就存在的問題，而隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的延長，情況有所加劇。

5 分析驗(yàn)證

5.1 外觀觀察

①目的：初步判斷絕緣老化程度。②判據(jù)：發(fā)黑區(qū)域樹脂（靠近導(dǎo)體部分，運(yùn)行最高溫度100℃～110℃）與未發(fā)黑的區(qū)域（靠近絕緣盒殼體部分，運(yùn)行溫度約80℃～90℃）的樹脂進(jìn)行彎曲比較。③方法：摩擦發(fā)黑區(qū)域表面，判斷是否有碳粉落下；發(fā)黑區(qū)域和未發(fā)黑區(qū)域切片后折彎判斷開裂情況。結(jié)果見圖10～圖11。

圖10 絕緣盒變黑情況

圖11 正常顏色與發(fā)黑絕緣膠對(duì)比

由圖可知：發(fā)黑區(qū)域表面摩擦后未有碳粉掉落，表面未碳化；已發(fā)黑樹脂輕輕彎曲后，表面明顯開裂，未發(fā)黑絕緣彎曲后發(fā)軟但未出現(xiàn)開裂情況，表明發(fā)黑絕緣已有劣化發(fā)脆。

5.2 表面絕緣電阻測量

①目的：判斷發(fā)黑情況是樹脂發(fā)生熱氧老化造成的，還是已發(fā)生碳化現(xiàn)象。②判據(jù)：若發(fā)生碳化現(xiàn)象，表面絕緣電阻將明顯降低。③方法：在發(fā)黑嚴(yán)重表面、角部區(qū)域，黏貼間距10 mm的銅帶，用5 kV高壓表測量1 min后的絕緣電阻。同時(shí)測量未發(fā)黑區(qū)域的電阻值進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果見圖12～圖14。

圖12 表面發(fā)黑區(qū)域147GΩ

圖13 角部發(fā)黑區(qū)域146GΩ

圖14 未黑區(qū)域608MΩ

由圖可知：發(fā)黑區(qū)域絕緣電阻值較大，且大于未發(fā)黑區(qū)域，表明樹脂雖然發(fā)黑但并沒有造成碳化，依然為絕緣體。

5.3 耐壓試驗(yàn)

壓。②方法：在樹脂表面黏貼電極，在空氣中，施加工頻電壓測量耐壓水平。耐壓前后用5 kV高壓表測量絕緣體積電阻。見表2，結(jié)果見圖 15～ 圖 16。

表2 灌注膠耐壓情況

圖15 灌注膠耐壓后閃絡(luò)

圖16 灌注膠耐壓后閃絡(luò)

有圖可知：已劣化發(fā)黑樹脂有一定的絕緣耐壓水平，短期內(nèi)不會(huì)發(fā)生擊穿情況。

5.4 熱老化

①目的：通過加速老化試驗(yàn)，觀察未變黑樹脂老化后狀態(tài)，判斷樹脂變黑是否因熱老化導(dǎo)致。②方法：將未變黑樹脂切片后，放入150℃烘箱進(jìn)行老化，一段時(shí)間后觀察外觀。放入烘箱前顏色為深黃色，150℃加熱20小時(shí)后，顏色已變成深褐色，加熱25小時(shí)后顏色已發(fā)黑，且在用鑷子加起時(shí)碎裂。

6 絕緣樹脂調(diào)查總結(jié)

1)通過以上調(diào)查及試驗(yàn)，可以確定絕緣盒樹脂變黑主要是由于熱氧老化導(dǎo)致一定程度的劣化，但還未達(dá)到碳化的程度，依舊是絕緣體，還保持著一定的絕緣耐壓能力，可以滿足一定期限的使用要求；

2)原絕緣盒樹脂在150℃時(shí)，輕碰觸即斷裂，耐熱性達(dá)不到150℃；同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行開裂、發(fā)黑判斷，也達(dá)不到110℃～120℃下長期運(yùn)行的水平；

3)新混合樹脂按工藝要求配比，耐熱性優(yōu)于原稀釋劑添加過量的樹脂。通過本次試驗(yàn)，也驗(yàn)證了在安裝時(shí)由于樹脂配比不當(dāng)（添加了過量的稀釋劑）造成了絕緣盒樹脂耐熱溫度降低、性能變差。

7 結(jié)論

根據(jù)對(duì)深溪溝3#發(fā)電機(jī)絕緣盒樹脂的有關(guān)測試，表明原絕緣盒樹脂的耐熱性能沒有達(dá)到要求，導(dǎo)致熱氧化而發(fā)黑，但仍有適當(dāng)?shù)哪碗妷耗芰?，并且絕緣盒的殼體本身也具有一定的絕緣能力，可以認(rèn)為在較長的一段時(shí)間內(nèi)發(fā)電機(jī)運(yùn)行是安全的。

但是考慮現(xiàn)在的絕緣盒樹脂已經(jīng)有一定程度的劣化，并且有相當(dāng)一部分存在樹脂與導(dǎo)體剝離、內(nèi)在裂紋等缺陷，樹脂的劣化速度在一定的程度之后會(huì)加劇。為確保深溪溝電站發(fā)電機(jī)長期安全運(yùn)行，建議在2年～4年內(nèi)采用新開發(fā)的耐熱、耐冷熱循環(huán)和抗熱收縮性能優(yōu)良的A/B組分樹脂進(jìn)行徹底的更換處理。

對(duì)于各臺(tái)發(fā)電機(jī)絕緣盒更換前，建議通過抽檢絕緣盒解剖和檢測分析來確定處理的順序，樹脂絕緣狀況較好的可以稍后處理。