發電機定子線棒水電接頭漏水問題的分析及處置

薛 蛟，王夏洋，郭曉峰

（晉能控股山西電力股份有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

某電廠3號機組采用前蘇聯生產的TBB-220-2EY3型同步發電機，額定有功功率215 MW、額定功率因數0.85、額定定子電壓15 750 V、額定定子電流9 270 A。發電機冷卻方式為水氫氫，額定氫氣壓力0.3 MPa，額定水壓0.27 MPa。發電機定子繞組接線組別為雙Y型，繞組為三相、雙層、短節距、棒狀。2020年，發電機定子繞組汽側第46槽上層線棒水電接頭根部出現漏水問題。

1 發電機結構

1.1 定子繞組端部結構

發電機端部繞組外圓周通過固定在絕緣支架上的三道絕緣綁環支撐，內圓周由一次成型的環氧樹脂端環和內護板組合成錐形結構；內護板由綁繩、壓板固定于第一道絕緣綁環和端環。線棒鼻端上下層采用并頭套錫焊結構，接頭表面填充硅橡膠后用火電填充泥填充絕緣盒空隙；端環位于鼻端位置，每兩個絕緣盒之間采用環氧樹脂楔塊楔緊，并使用絕緣拉桿拉緊后固定于端環上。絕緣盒中部和端頭位置各用一道綁繩綁扎；絕緣綁環、端環及內護板與線棒間墊有適形氈。由此，將端部繞組固定成牢固的整體，并實現線棒鼻端徑向和切向的可靠固定；同時，端部繞組整體及鼻端固有頻率可靠地躲開了基頻和倍頻范圍。

1.2 定子線棒水電接頭結構

發電機定子線棒由28根實心股線和14根空心股線編織組成，股線分布排列成2列，每列實心股線和空心股線按照2∶1的結構布置。在線棒兩端設置的水盒接頭構成了線棒鼻端的水電連接結構，水盒接頭由鍍銀銅澆筑成型，上端為水接頭、下端為電接頭；線棒的空、實心股線經中頻感應釬焊在水盒內，定冷水由空心股線流出，在水電接頭內蓄積后由水接頭及引水管流出；上下層線棒電接頭由中頻釬焊連接。

2 發電機存在漏水問題

2.1 漏水問題的發現

2020年，機組運行期間轉子一點接地告警信號頻發，最低對地電阻為2 kΩ、轉子最低電壓為15 V，因轉子接地保護為一點接地發告警且自動投入兩點接地功能，兩點接地時跳閘，因此機組運行中未跳閘。機組運行期間，密封油中含水量合格，油水報警器未發現漏水現象，氫氣濕度合格且未發現明顯上升趨勢，補氫量未發現明顯變化；因漏氫檢測器故障，未監測到定冷水箱漏氫情況。所以，線棒漏水的問題未能在機組運行期間及時發現。

機組檢修期間，檢修人員發現發電機上下端蓋之間、汽側內護板上、轉子通風孔處、轉子護環外側進風口及定子端部繞組正下方有水珠或水流痕跡；檢查轉子絕緣，對地絕緣為零。對定子繞組進行水壓試驗，在額定水壓下汽側第46槽上層線棒水電接頭根部滲水，鑿開線棒絕緣盒及主絕緣后水電接頭根部位置向外呲水。同時發現端部繞組鼻端位置360°圓周方向均有大量黃粉，絕緣盒之間的楔塊處堆積有黃泥，楔塊與絕緣盒之間明顯存在縫隙。進一步檢查，共發現汽側17根、勵側3根楔塊和絕緣拉桿松動磨損，拉桿磨損最嚴重處磨下去近2/3。

2.2 漏水原因分析

a）端部松動，電磁力產生的振動導致水電接頭焊縫出現裂紋。發電機運行期間，定子繞組端部線棒在端部漏磁通作用下產生100 Hz的交變電磁力，該力的大小與分支電流、漏磁通成正比，主要為切向和徑向方向。由于水電接頭位置是同相繞組不同匝、同匝繞組不同位置線棒的接頭，因此同一絕緣盒處上下2根線棒電流方向總是相反，所承受的徑向和切向電磁力也總是相反的。不同的是，徑向力在旋轉磁場的影響下，內外層線棒在不同區域內周期性地相互吸引或排斥，有時上層所受電磁力向外擴張而下層所受電磁力向內壓縮，2個線棒之間是相互靠近的關系，擠壓加??；有時上層所受電磁力向內壓縮而下層向外擴張，2個線棒之間的關系互相遠離。而上下層線棒各個時刻所受的切向力方向基本相反，即上下層存在靜摩擦[1-2]。

端部固定結構方面，與現代大型發電機端部固定壓板或整體錐形環、無磁性金屬螺栓及適形材料結構不同的是，該型發電機鼻端位置通過楔塊和環氧樹脂絕緣拉桿與端環固定，固定結構的強度、柔韌度及耐磨性均不足，絕緣楔塊極易在周期性變化的徑向電磁力和靜摩擦切向電磁力的作用下發生磨損。楔塊一旦出現磨損跡象，磨損面積會迅速擴大，從而誘發端部繞組整體松動。

端部繞組在電磁力的作用下，一方面由于端部固定結構的缺陷，導致端部繞組固定出現松動，端部線棒水電接頭在電磁力產生振動作用的影響下，焊縫因金屬疲勞而產生裂縫。另一方面，隨著電網容量的不斷增大，發電機進相運行工況日益增多，端部繞組受到漏電磁場的影響增大，加速了這一過程的發生。

b）定冷水長期沖刷及水質超標，導致水電接頭釬焊因沖刷和腐蝕減薄。在故障線棒抬出后，檢修人員對線棒水電接頭進行了橫向切割解剖。從切割出的水電接頭可以看出，空心股線之間的釬焊區域凹凸不平，近一半面積的釬焊區域因沖刷和腐蝕下凹近2 mm，部分因焊接工藝不良留下的氣泡和未焊滿的區域被暴露出來。另外，由于早期定冷水水質控制工藝不良，水質對金屬的腐蝕也在一定程度上加速了焊接區域的減薄。

c）水電接頭結構不合理，制造和焊接工藝不良。本發電機水電接頭采用空心股線和實心股線均焊接在水盒內的結構，且該機組進行過整機線棒國產化改造。該水電接頭的空、實心導線長短不一，與水電接頭并頭套插接部位端面不平行，釬焊過程中部分區域溫度達不到釬焊所需的溫度，導致焊料溶解不充分、不飽滿，出現空焊、氣泡等現象，在漏水問題上形成疊加效應。

由于發電機端部振動、水盒釬焊沖刷減薄及制造階段焊接缺陷多種因素的疊加，最終造成水電接頭釬焊失去密封性而發生漏水。

2.3 故障的處置

a）更換故障線棒。經現場分析討論，本次不再對漏水線棒并頭套進行補焊，而是采用整根線棒更換的方式進行處置，現場更換第46槽上層線棒1根。線棒更換嚴格按照《大型發電機定子繞組現場更換處理試驗規程》（DL/T 2011—2019）要求，進行了發電機定子繞組直阻、絕緣、直流耐壓及泄漏、交流耐壓、手包絕緣表面電位及水壓等試驗，試驗均符合《電力設備交接和預防性試驗規程》（Q/HBW 14701—2008）、《汽輪發電機繞組內部水系統檢驗方法及評定》（JB/T 6228—2014）要求。

b）更換端部固定件。由于絕緣盒之間的楔塊和絕緣拉桿存在不同程度的磨損，采取整體更換的方式進行處置，共更換60根絕緣拉桿和楔塊。為進一步檢驗端部固定結構件更換后端部繞組的固有頻率及緊固情況，完成了發電機端部繞組模態試驗，試驗數據均合格。即汽端端部，頻率61.25 Hz，阻尼比3.8%，橢圓振型；勵端端部，頻率71.25 Hz，阻尼比4.5%，橢圓振型；鼻部各個線棒響應比最大為0.04（m/s2）/N，遠低于≥0.44（m/s2）/N的要求。。

c）對發電機轉子進行烘烤。由于線棒漏出的定冷水進入了轉子風道及端部，造成轉子絕緣降至0 MΩ，為防止誘發兩點接地或轉子繞組匝間短路事故，對發電機轉子進行了熱風烘烤，直至絕緣合格。

3 意見和建議

為防范修后發電機定子繞組再次發生故障，同時結合漏水缺陷的發現處置過程評定，本文提出以下意見和建議。

a）嚴格按照《防止電力生產事故的二十五項重點要求》中10.1條款，在發電機再次停運時對端部繞組固定情況進行檢查，防范再次出現大面積松動，誘發短路事故。

b）進一步完善和優化發電機定冷水水質控制，嚴格按照《大型發電機內冷卻水質及系統技術要求（DL/T 801—2010）》的要求，控制pH值、電導率及銅離子含量使其合格。同時，擇機使用內窺鏡對發電機水電接頭進行抽檢，重點檢查釬焊的沖刷腐蝕情況和空心股線的堵塞情況。

c）發電機轉子一點接地后，極易發生兩點接地故障，造成轉子本體灼傷，新版規程已對轉子一點接地保護整定原則進行了修改。應嚴格按照《大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則》（DL/T 684—2012）要求，一點接地高值告警、低值跳閘。同時，修訂運行規程，加入轉子匝間短路現象的判斷及處置原則，進行技術判斷和處置轉子匝間短路故障，防范事故擴大。