某電廠汽輪發電機定子繞組接地跳機原因分析

劉明軍

(哈爾濱電氣集團海洋智能裝備有限公司,哈爾濱150023)

0 引 言

大型汽輪發電機組是電力系統的核心設備,其運行可靠性對電力系統的穩定運行、電能質量的保障都有著極其重要的作用。作為汽輪發電機的關鍵部件,定子繞組的主要作用是進行能量的轉換和電能的輸出,它由不同鐵心槽的上下層兩根條形線棒連接而成,其綁扎方式一般采用壓板式固定方式[1]。當電廠的一個系統或者幾個系統發生故障,使得發電機突然跳閘停機,即跳機。發電機跳機不僅會對電力系統的安全運行造成影響,同時還會帶來巨額的經濟損失。因此,研究發電機跳機事件的原因和預防措施,對于保障電力系統的安全運行和提高電力系統的可靠性具有重要意義。該文結合某電廠發電機定子繞組接地跳機事件,通過開展現場檢查、現場試驗以及對分布式控制系統 (distributed control system, DCS)歷史數據進行分析,探究發電機跳機的原因,并對類似事件提出預防措施[2-5]。

1 事件概況

某電廠1號汽輪發電機為QFSN3-630-2型水氫冷汽輪發電機,額定功率為626 MW,該機組于2015年并網發電。某日,發電機組出現二次冷卻水斷水情況,在失去外部冷卻條件下,發電機經歷了短時事故運行,待二次冷卻水流量恢復后,發電機仍繼續運行,幾日后,發生發電機定子繞組接地跳機事件。

2 檢查情況

2.1 定子繞組情況

拆除1號汽輪發電機定子中性點與引出線軟連接后，做定子繞組三相直流電阻試驗，試驗結果為RU=0.784 9 mΩ，RV=1.513 0 mΩ，RW=0.786 3 mΩ(室溫：26.5 ℃，濕度61%)；在拆除導風環前，發現導風環內側筋板處有金屬混合物殘渣，如圖1所示。

圖1 導風環上金屬混合物殘渣

現場發現定子繞組端部絕緣表面及絕緣引水管均有油跡,汽端2點鐘方向26號槽處鼻端手包絕緣裂開,裂開處位于連接股線L型塊位置,并可看到L型塊有缺損。發電機汽端內端蓋有碳黑痕跡,破損線棒鼻端與相鄰鼻端手包絕緣表面均有不同程度的黑色碳化痕跡,如圖2所示。

圖2 定子繞組汽端手包絕緣局部碳化

2.2 定子線棒鼻端情況

現場拆除破損線棒鼻端絕緣后,發現26號槽的上層線棒與股線相連的內部絕緣已碳化,上層線棒水盒部分熔融,與其相連的L型塊、連接股線、絕緣引水管水接頭等均發生熔損[6],如圖3所示。同時,26號槽的下層線棒水盒完好,與其相連的L型塊、連接股線、絕緣引水管水接頭等均完好。

圖3 定子線棒水盒燒損

2.3 絕緣引水管與匯流管情況

現場檢查發電機汽端定子26號槽上層線棒絕緣引水管與匯流管連接處情況,發現其外層絕緣表面漆膜完整,漆色正常,測溫元件完好;除去其表層絕緣,絕緣內層密實完整、未見碳化痕跡。在拆除絕緣引水管時,發現汽端匯流管的鋼嘴上存在燒損痕跡,鋼嘴缺損最多處約5 mm,鋼嘴內壁粗糙,且附著細小金屬顆粒物,鋼嘴外壁表面光滑,如圖4所示。

圖4 定子繞組水接頭損壞

2.4 水管路情況

現場拆解定子繞組一次水管路,檢查進水和反沖洗過濾器無異物;檢查汽、勵端匯流管無異物;檢查定子一次水儲水箱,水箱內壁光滑,在底部(定子一次水出水口下方)有金屬沉淀殘渣,殘渣中發現長螺釘,故判斷水箱金屬殘渣為汽端26號槽上層線棒鼻端燒熔物,如圖5所示。

圖5 定子一次水儲水箱檢查

3 事故原因分析

根據拆解記錄,該事故為汽輪發電機定子繞組和線棒鼻端發生燒損,造成機組跳機的一次重大設備事故[7]。結合定子繞組汽端手包絕緣局部碳化、定子線棒水盒燒損、定子繞組水接頭損壞等現象,分析造成事故的原因。

3.1 定子繞組污染和絕緣受損

現場檢查的定子繞組及拆除破損線棒鼻端絕緣結果表明,有油跡進入定子繞組,定子繞組發生了污染。被污染的定子繞組內部會發生放電現象,破壞絕緣材料的化學鍵造成絕緣材料的表面侵蝕,放電產生的局部過熱進一步加重了定子線棒鼻端絕緣的受損程度,并最終導致線棒鼻端燒損。

3.2 水箱內金屬沉淀

現場檢查定子一次水儲水箱底部有金屬沉淀殘渣,殘渣中有長螺釘,判斷水箱金屬殘渣為汽端 26號槽上層線棒鼻端燒熔物。螺釘的存在會增加金屬離子的濃度,從而影響水箱內水質,可能促使水垢形成和增加金屬離子濃度,進而導致管路堵塞,影響設備穩定性。

3.3 機械磨損

現場發現導風環內側筋板處有金屬混合物殘渣,同時汽端匯流管的鋼嘴上存在燒損痕跡,內壁粗糙,且附著細小金屬顆粒物。結果表明,機械磨損會帶來金屬顆粒的產生和沉積,可能影響設備的正常運行,進而產生故障。

3.4 分布式控制系統數據分析

根據電廠DCS運行記錄顯示,1號發電機發生二次冷卻水斷水運行,發電機定子繞組一次內冷水和氫氣冷卻器沒有二次水進行冷卻,因而定子繞組內冷水進水和氫氣進風溫度急劇上升,遠高于發電機額定溫度,見表1。

表1 斷水期間發電機冷卻介質溫度

根據該發電機說明書要求,發電機定子內冷水總出水溫度達到85℃時報警,達到90 ℃時發電機跳機,由表1可知,該發電機斷水期間定子內冷水總出水溫度已達106.32 ℃,遠超跳機限制90 ℃。同時,說明書中規定了發電機應設有定子繞組過熱保護,即:當定子繞組任何兩個同層線棒出水溫度的溫差大于 8 ℃時,應當發出報警信號,當溫差達到12 ℃時應立即將發電機與電網解列,同時解除發電機勵磁。如表1所示,事故期間發電機線上層線棒出水溫度為93～107 ℃,下層線棒出水溫度為92～106 ℃,同層差值已達14 ℃,超過跳機限值12 ℃,隨后發電機跳機事件發生。

4 結 語

綜上所述,定子繞組被污染引發局部放電導致的定子線棒鼻端絕緣燒損、水箱內金屬沉淀以及機械磨損等因素導致的上層線棒短時磨損都可能引發此次發電機定子繞組接地跳機事件。為預防類似事故的發生,提出下列建議:

1)發電機使用單位應采取定期檢查和維護、加強溫度監測和控制、加強水路系統檢查和維護等措施。

2)同類型發電機發生短時停機事故后,應盡早進行深度檢查,拒絕發電機帶病工作,避免更嚴重的事故發生。