水電站機組定子繞組三相泄漏電流不平衡問題探討

金懂性

(廣西水利電業(yè)集團新疆克州水利發(fā)電有限公司，新疆 克孜勒蘇柯爾克孜自治州 845550)

0 引 言

為進行水電站發(fā)電機組絕緣性能判斷，通常采用檢測發(fā)電機泄露電流的方式，如果在發(fā)電機組直流泄漏和直流耐壓檢測過程中，出現(xiàn)泄漏電流三相不平衡度超標的現(xiàn)象，則意味著發(fā)電機組存在裂紋、磨損等絕緣缺陷或制造工藝不良、受潮等問題。布倫口-公格爾水電站于2021年機組預(yù)防性試驗期間通過金屬探刷刷定子外絕緣的方法成功鎖定機組定子絕緣降低的薄弱點，并分析了影響絕緣水平的原因[1]。基于此，文章主要依據(jù)該水電站機組2018-2020年預(yù)防性試驗所取得的數(shù)據(jù)，從理論上分析并驗證2021年預(yù)防性試驗期間所得出的機組定子繞組絕緣水平下降及局部絕緣薄弱點等結(jié)論，為發(fā)電機組定子繞組三相泄漏電流不平衡問題的有效解決提供參考。

1 水電站概況

布倫口-公格爾水電站主要建于新疆克孜勒蘇柯爾自治州阿克陶境內(nèi)，主要采用一洞三機聯(lián)合供水的引水系統(tǒng)，同時配備有3臺裝機容量201MW(3×67MW)、機端電壓和輸出電壓等級分別為10.5kV和220kV的沖擊式水輪發(fā)電機組。該水電站1#機組采用額定容量80000kVA 的SF-80000/220型發(fā)電機，發(fā)電機額定功率因數(shù)取0.884，額定電壓14.2kV，額定電流3825A，額定轉(zhuǎn)速和飛逸轉(zhuǎn)速分別為215.6r/min和406r/min，額定功率50Hz；定子鐵芯內(nèi)外徑分別為6230mm和6980mm，鐵芯高1850mm，設(shè)計槽數(shù)為321槽。發(fā)電機定子采用單匝雙層波紋繞組以星形方式連接，每相均設(shè)置兩條并聯(lián)式支路，定子繞組采用云母帶主絕緣和防暈層F級的復(fù)合絕緣形式。

2 定子繞組三相泄漏電流數(shù)據(jù)分析

在2021年所進行的機組預(yù)防性試驗過程中，該水電站1#機組表現(xiàn)出定子繞組三相泄漏電流不平衡問題，B相電流泄漏量達32μA，遠高出A相和C相，定子繞組直流電阻試驗合格，具體結(jié)果詳見表1。根據(jù)預(yù)防性試驗，在測試溫度為15℃、濕度為30%的情況下，A相電流R15=40MΩ，R60=3000MΩ，吸收比為75；B相電流R15=32MΩ，R60=3500MΩ，吸收比為108；C相電流R15=30MΩ，R60=3000MΩ，吸收比為100。

根據(jù)《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》(DL/T 596-2015)，發(fā)電機組定子繞組各項電流泄漏差應(yīng)不超出泄漏電流最小值的100%，若最大泄漏電流超出20μA，則差值應(yīng)保持穩(wěn)定。結(jié)合2021年布倫口-公格爾水電站發(fā)電機組預(yù)防性試驗結(jié)果，A相和C相泄漏電流基本滿足規(guī)程規(guī)定，而B相電流泄漏量32μA遠高于20μA的規(guī)定，相間泄漏電流差為最小電流泄漏量的300%，顯然不符合規(guī)程要求。將該測試結(jié)果和機組2018-2020年預(yù)防性試驗所取得的數(shù)據(jù)相比，發(fā)現(xiàn)B相電流泄漏量數(shù)據(jù)在2018、2019年間基本保持穩(wěn)定，僅從2020年開始B相電流泄漏量才表現(xiàn)出升高趨勢，而A相和C相電流泄漏量卻始終保持平穩(wěn)態(tài)勢。此期間的試驗結(jié)果具體見表2。

表1 水電站1#機組直流耐壓及繞組三相泄漏電流試驗結(jié)果

表2 2018-2020年預(yù)防性試驗結(jié)果

根據(jù)表2結(jié)果，在試驗電壓較低的情況下，三相泄漏電流較為平衡穩(wěn)定，而當額定工作電壓升高至1.5kV時，B相電流泄漏量激增，且隨著額定工作電壓的升高呈持續(xù)增大趨勢，A相和C相電流泄漏量始終較為穩(wěn)定。結(jié)合2021年機組預(yù)防性試驗結(jié)果來看，該發(fā)電機組定子繞組典型電流泄漏曲線還存在絕緣受潮、絕緣未貫通、絕緣擊穿等潛在缺陷。

根據(jù)預(yù)防性試驗中絕緣電阻測量結(jié)果，雖然能反映出發(fā)電機組定子繞組絕緣系統(tǒng)整體運行情況，但是規(guī)程中并未對采用2500VMΩ表進行絕緣電阻測量所得的絕緣電阻合格范圍做出具體規(guī)定，在判定過程中主要將所測結(jié)果和歷次三相試驗數(shù)據(jù)進行比對，并根據(jù)所測結(jié)果是否存在明顯下降趨勢做出發(fā)電機組定子繞組絕緣系統(tǒng)整體運行情況的相應(yīng)判斷。然而，兆歐表試驗電壓遠低于水電站發(fā)電機組額定電壓，在檢測過程中對于某些微小、潛在且未完全顯現(xiàn)的絕緣缺陷很難測出，這也是布倫口-公格爾水電站2018-2021年通過兆歐表所測1#發(fā)電機組絕緣電阻及吸收比始終合格的主要原因。結(jié)合以上對該水電站1#機組定子繞組三相電流泄漏不平衡問題的分析，可以認為該機組B相電流泄漏量的確存在異常，且B相繞組同時存在局部絕緣水平弱化跡象[2]。

3 定子繞組泄漏電流不平衡原因分析及處理

為解決該水電站1#發(fā)電機組定子繞組電流泄漏過大且不平衡問題，2021年預(yù)防性試驗后維護小組借助該機組大修理的機會將轉(zhuǎn)子吊出，通過金屬探刷刷定子外絕緣結(jié)構(gòu)以確定出定子繞組絕緣薄弱位置，分別為80#槽下絕緣盒至線棒間彎曲處左側(cè)1條損傷的半導(dǎo)體漆膜，196#槽絕緣盒內(nèi)側(cè)1道有爬電痕跡的裂紋以及310#-319#線棒所對應(yīng)的綁扎環(huán)位置等三處。

3.1 定子繞組泄漏電流不平衡原因

布倫口-公格爾水電站1#機組自投產(chǎn)發(fā)電運行以來，長期受到導(dǎo)體發(fā)熱、電磁場、機械損傷及自然環(huán)境的不利影響，絕緣性能逐漸減弱。2016年因1#機組在運行期間轉(zhuǎn)子磁軛鍵脫落造成定子、轉(zhuǎn)子擊傷，158根定子線棒燒傷事故，事故發(fā)生后立即進行了損傷部件的更換，其余未損傷的線棒等零件并未更換，為機組安全運行埋下隱患。

布倫口-公格爾水電站于2009年順利并網(wǎng)發(fā)電，在新疆電網(wǎng)中承擔著調(diào)峰及事故備用等重要作用，投產(chǎn)發(fā)電初期水庫來水量基本穩(wěn)定，發(fā)電運行小時數(shù)與機組運行能力相當。2014年水電站全機組成功并網(wǎng)發(fā)電后其發(fā)電運行小時數(shù)逐年增大，其1#機組長期滿負荷運行；隨著定子棒端部溫度持續(xù)升高，并頭套焊錫發(fā)生熔化和脆化，線棒端部絕緣性能持續(xù)降低，從而在2018-2020年預(yù)防性試驗期間檢測出其1#發(fā)電機組定子繞組絕緣水平下降、局部絕緣薄弱及定子繞組三相電流泄漏不平衡。

3.2 處理措施

對于第一和第三處絕緣薄弱點，主要通過金屬探刷將徹底清刷干凈絕緣薄弱處和損壞處，均勻涂刷兩遍環(huán)氧樹脂膠。對于第二處絕緣薄弱點，主要進行絕緣盒更換，再按比例配置好環(huán)氧樹脂膠，并調(diào)節(jié)好絕緣盒和并頭套間間隙后灌入，使環(huán)氧樹脂膠能順利均勻流入絕緣盒內(nèi)，不發(fā)生滲膠和跑膠，以增強薄弱位置絕緣強度和機械強度[3]。

通過以上措施處理該水電站1#發(fā)電機組定子繞組絕緣薄弱問題后，分別在轉(zhuǎn)子回裝前后對該機組定子繞組展開試驗，具體檢測項目包括直流耐壓及泄流電流、吸收比、絕緣電阻等。直流耐壓試驗過程中，試驗電壓從0.5kV的額定工作電壓開始，按照0.5kV依次增大，且將每一試驗電壓下的試驗時間控制在1min，并記錄微安表所顯示的電流泄漏值；將最高試驗電壓下的試驗時間控制在2min，并分別讀取試驗時間1min和2min所對應(yīng)的電流泄漏量。處理措施采取后，1#發(fā)電機組A相電流R15=35MΩ，R60=4500MΩ，吸收比為128；B相電流R15=35MΩ，R60=5000MΩ，吸收比為145；C相電流R15=35MΩ，R60=5000MΩ，吸收比為145。轉(zhuǎn)子回裝前后該發(fā)電機組定子繞組絕緣電阻試驗數(shù)據(jù)具體見表3和表4。

表3 轉(zhuǎn)子回裝前發(fā)電機組定子繞組絕緣電阻試驗數(shù)據(jù)

表4 轉(zhuǎn)子回裝后發(fā)電機組定子繞組絕緣電阻試驗數(shù)據(jù)

通過將以上試驗數(shù)據(jù)和處理措施實施前的數(shù)據(jù)相比不難看出，處理后的1#發(fā)電機組定子繞組三相電流泄漏值及絕緣水平完全達到合格狀態(tài)，說明該水電站1#機組所采取的定子繞組絕緣薄弱問題的處理措施切實可行。

4 結(jié) 論

分析結(jié)果表明，水電站發(fā)電機組定子繞組絕緣電流發(fā)生異常后必須引起重視，對機組展開全面檢查，發(fā)現(xiàn)定子繞組絕緣薄弱位置，并分析造成電流泄漏的主要原因，及時采取有效措施予以應(yīng)對和處理，避免因延誤而造成嚴重的設(shè)備運行事故。與此同時，還應(yīng)確保預(yù)防性試驗期間數(shù)據(jù)的完整性、真實性和準確性，并做好記錄，為水電站機組運行過程中每一次試驗提供翔實的數(shù)據(jù)支撐。