汽輪發電機匯水管典型故障分析及對策

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

大型汽輪發電機定子繞組通常采用水內冷卻方式。運行期間，定子冷卻水從發電機勵端匯水管頂部進水總管注入，流經定子繞組的空心導線后，由汽端匯水管頂部出水總管流出，完成發電機定子繞組冷卻循環。同時，為滿足定子繞組排水及排污需求，汽勵兩端匯水管底部還分別設有排污管。匯水管固定在發電機定子機座端部，通常安裝有6個或8個固定支架，如圖1所示。

圖1 汽輪發電機匯水管結構Fig.1 Structure of the water manifold in the turbine generator

發電機匯水管與支架、進出水總管及排污管之間用絕緣板及環氧酚醛絕緣套管實現匯水管與機座絕緣。運行期間，匯水管處于發電機端部的漏磁場及機械振動環境，會受到復雜的電動力及振動應力作用。匯水管在產生感應電勢的同時，還存在持續性的機械振動。因此，確保運行中的發電機匯水管經專用接地線一點接地，并控制其振動水平在合理范圍，就顯得尤為重要。

近年來，因制造、安裝及運維等原因，已發生多起匯水管絕緣不良、金屬性接地、匯水管接地線斷裂及匯水管波紋補償器破裂等故障。這些故障均不同程度對機組的安全穩定運行及企業經濟效益造成了影響。因此，分析總結匯水管故障類型及成因，并制定相應的防治措施，對確保發電機的安全運行具有重要意義。

1 匯水管典型故障

目前，已經發生的匯水管故障，基本可歸納為電氣故障及非電氣故障。電氣故障可分為低阻接地、金屬性接地、多點接地及接地線斷裂等類型；非電氣故障則主要指匯水管異常振動引起的結構破裂、松動及磨蝕等現象。從故障發展過程來看，機械振動又往往導致匯水管絕緣損壞，引起接地等電氣故障。

1.1 低阻接地

匯水管的絕緣電阻是指汽端匯水管、勵端匯水管及出線盒小匯水管絕緣電阻的并聯電阻總和。發電機在進行定子繞組絕緣測試時，某些制造廠明確規定匯水管絕緣電阻應不低于30 kΩ。當匯水管絕緣電阻明顯偏低時，應引起重視并查明原因。通常造成匯水管絕緣電阻低的原因主要包括匯水管支架的絕緣墊臟污或破損，與外部進出水管連接的絕緣法蘭、絕緣套管臟污及受潮，以及連接螺栓的絕緣套管破損[1-3]。

針對匯水管絕緣低問題，可對汽、勵兩端匯水管及出線盒小匯水管分別實施絕緣測量，逐次排查直至查明原因。該類缺陷的排查，一般需要拆除匯水管與外部水管的連接法蘭，通過更換絕緣墊或絕緣套管進行解決。

1.2 金屬性接地

匯水管金屬性接地，是指匯水管對地絕緣為零，其主要成因包括：1)匯水管各法蘭絕緣墊或連接螺栓絕緣套管缺失，導致匯水管與機座直接接觸。這類故障多發生在新機組安裝調試期間，應嚴格控制安裝工藝[4-6];2)匯水管各絕緣法蘭因金屬異物搭接短路。這類缺陷如發生在水管內壁，排查難度較大，排查時需要拆開法蘭;3)匯水管相關法蘭及支架連接螺栓的絕緣套管破裂，導致連接螺栓將匯水管接地。如某發電機匯水管固定支架與機座固定螺栓孔出現偏差錯位，導致連接螺栓絕緣套管受剪切應力破裂，引起匯水管金屬性接地，如圖2所示;4)測溫元件或屏蔽網異常接地造成匯水管接地。

圖2 匯水管支架與機座連接螺孔錯位Fig.2 Dislocation of the connecting bolt holes between the holder of the water manifold and frame

匯水管金屬性接地故障比較隱蔽，特別是測溫元件絕緣缺陷引起的接地故障，排查困難。為準確定位接地點，可采用對匯水管加壓通流的方法。

如某發電機發生匯水管金屬性接地故障后，利用單相調壓器和行燈變壓器組成檢測裝置，對匯水管通入約2 A的電流，用高精度環形CT依次套入匯水管的支架，測量流過支架的電流，發現有一支架流過接近2 A的電流，其他支架無電流，成功定位接地點。

1.3 多點接地

發電機運行期間，匯水管因絕緣缺陷或異物搭接，會造成匯水管多點接地，并在接地線上產生30 A以上的環流，甚至燒斷接地線[7]。如某發電機汽端左側九點鐘附近的短支架從本體上斷裂后落入機座底部，將匯水管與機座短接后接地，在匯水管上產生736 A的環流及164 ℃的高溫。若匯水管接地線上電流過大，可在接地線回路中臨時串入阻值1Ω左右的限流電阻，臨時將電流限定在正常值，待停機檢修時進行徹底處理。

1.4 接地線斷裂

因匯水管地線截面選擇過小或檢修時外力拉扯，引起接地線斷裂的情況時有發生。引線斷裂故障排查較容易，但如果在發電機檢修后才發現故障，會造成返工，影響檢修工期，因此，應在回裝發電機端蓋前仔細檢查匯水管接地線的牢靠程度。例如某660 MW發電機定子兩側端蓋已回裝，在進行定子絕緣測量時，意外發現機內匯水管接地線脫落，造成返工。

接地線斷裂不僅會影響匯水管的運行，還會對繞組水溫的測量造成干擾。如某發電機運行中出現定子繞組水溫度波動，同時發現水溫測量回路存在3.2 V左右的20 Hz定子接地保護注入電壓[8]。分析認為，汽端匯水管因接地線斷裂而處于懸浮狀態。后在機組停機期間對缺陷進行了檢查，確實發現匯水管接地線已燒斷，如圖3所示。

圖3 匯水管接地線燒斷Fig.3 Ground wire fused of the water manifold

1.5 非電氣故障

發電機匯水管與機座采用螺栓連接，會隨機座產生振動，若安裝時螺栓鎖片缺失或運行時松脫，會造成螺栓松動。受振動影響，發電機端部壓板螺桿松動、螺母掉入機殼底部，絕緣墊磨損脫落等現象也多次發生[9]。如某發電機勵側匯水管10點鐘位置支架緊固螺栓的螺帽松動，退出約5 mm，險些脫落。后對匯水管進行自振頻率測量，發現其存在103 Hz的自振頻率。再如某GEC公司制造的350 MW機組，曾因匯水管共振原因，出現多次匯水管波紋膨脹器振裂事故[10-11]。實際上，發電機在熱態通水情況下，阻尼降低，繞組端部自振頻率還會下降5～8 Hz，可能跌入共振頻帶[12]。該類故障可通過對匯水管結構改進、配重等方案，使其避開共振頻帶加以解決。因此，應高度重視匯水管振動因素導致的故障。

2 暫態高壓脈沖法處理匯水管接地故障案例

2.1 故障現象

某650 MW汽輪發電機檢修時，實施定子絕緣檢測時，匯水管對基座絕緣電阻RY為389 kΩ，符合RY≥30 kΩ的標準，修后復測定子絕緣時，意外發現匯水管對機座的絕緣電阻RY降為1.36 kΩ。現場分別使用2 500 V兆歐表及萬用表對汽端匯水管、勵端匯水管及出線盒小匯水管進行絕緣檢測，發現汽端匯水管存在金屬性接地故障，結果見表1。綜合判斷，汽端匯水管可能存在類似似接非接的金屬性接地故障。

表1 發電機匯水管絕緣電阻

2.2 故障原因查找

鑒于引起匯水管金屬性接地的可能原因較復雜，決定采用排除法確定故障原因。先將發電機閉式冷卻水隔離，啟動定冷水GST系統自循環，嘗試通過對發電機定子冷卻水回路進出水總管法蘭、排污管法蘭等實施強迫沖洗，去除可能搭接在絕緣法蘭兩側的金屬雜物。另外，通過GST系統自循環產生的熱量，烘干可能受潮的匯水管支架絕緣件。經3 h自循環，發電機定子水溫由15 ℃上升至48 ℃，定子溫升明顯，定子進出水法蘭、排污管法蘭及6組匯水管支架均有明顯熱感。再次實施汽端匯水管絕緣檢測，其絕緣電阻接近為零。

排空定子冷卻水后，檢測結果仍未改善。仔細檢查進出水法蘭、排污管及匯水管支架絕緣結構，發現各法蘭螺栓緊固，無受力錯動痕跡，基本排除以上結構的絕緣缺陷。

在深入檢查過程中發現，汽端31、33、46、49、51號測溫元件包裹層破損，測溫熱電偶不同程度外露，測溫信號線末端金屬屏蔽網散開，如圖4所示。分析認為，這些熱電偶屏蔽層可能因制造工藝不佳，在制造階段即存在熱電偶金屬屏蔽層與匯水管搭接現象。檢修期間，試驗人員在發電機端部作業過程可能誤碰測溫引線穿管，造成屏蔽線與端子板接觸，最終使得匯水管經熱電偶屏蔽層金屬接地。

圖4 屏蔽層破損的測溫元件Fig.4 The thermocouple with damaged cable shield layer

考慮發電機按計劃即結束檢修，為節省工期，決定嘗試采用全絕緣暫態高壓脈沖發生器對接地點實施強行擊穿，其原理如圖5所示。試驗時在測溫元件端子板上汽端匯水管接地端子處注入極陡高能瞬態高壓脈沖，借助波前時間小于1 μs的脈沖波上升沿及峰值功率，靶向定位匯水管接地點并利用高能脈沖峰值功率將故障點金屬雜物熔斷。

圖5 高壓脈沖靶向擊穿示意圖Fig.5 Schematic of the high-voltage pulse targeted breakdown

試驗由低到高設定脈沖波電壓峰值并手動觸發，當試驗電壓增加值9.5 kV時，測溫元件端子板位置先后出現兩次明顯的放電聲響。判斷故障點已被擊穿，暫態脈沖錄波如圖6所示，波前時間約為560 ns。

圖6 高壓極陡脈沖波形Fig.6 The wave form of HV steep fronted impluse

按照使用萬用表所測匯水管接地電阻3 kΩ計算，接地故障點瞬態注入電流達到3.17 A，峰值功率為30.08 kW，熱電偶屏蔽網層與測溫元件端子板之間的搭接金屬絲已被熔斷。用2 500 V兆歐表測量汽端匯水管無水狀況的絕緣電阻，絕緣上升至1.3 MΩ。處理后對汽端84組測溫元件實施了檢測排查，測溫元件導通性良好，KIT監測系統各線棒水溫顯示正常，表明試驗未對測溫元件造成影響。

3 匯水管故障應對措施

發電機匯水管故障比較常見，預防是關鍵。經對各類型匯水管故障進行總結，建議預防措施如下。

(1)停機檢修期間，應對發電機匯水管進出水總管、排污管及絕緣支架等部位的絕緣件進行仔細檢查，對絕緣套管及絕緣法蘭進行清潔，必要時進行更換。

(2)加強測溫元件的檢查，防止測溫元件及其金屬屏蔽層搭接引起匯水管接地。以往，此類接地故障的處理往往需要剝開測溫元件絕緣包裹層或打開測溫元件端子板進行接線修復，應引起高度重視。

(3)檢修時做好匯水管接地引出線檢查，防止其受外力作用拉折或折斷。建議對引線加強防護，必要時進行改進，增強其機械強度及載流截面。另外，制造廠也可考慮增加備用接地線。

(4)關注匯水管固定情況的檢查，定期開展匯水管自振頻率測試，防止匯水管倍頻振動，引起支架絕緣及絕緣套管等因振動磨蝕損壞。

4 結束語

汽輪發電機匯水管屬于發電機重要的功能結構，運行期間應長期保持固定牢靠，并始終一點接地。在應對各類匯水管故障方面，應主動排查各類可能導致匯水管故障的隱患并予以消除。同時還應關注匯水管共振等因素引起的絕緣損壞等故障形式。在處理匯水管故障技術方面，在總結完善各類現有經驗的基礎上，還應探索采用新技術提升匯水管消缺的效率，不斷提高汽輪發電機的安全運行水平。