某大型水轮发电机励磁引线烧毁事故原因分析

李慧磊,陆本光,陈思源,高 洋

(云南华电鲁地拉水电有限公司，云南省大理市 671211)

文章编号：1006—2610(2015)03—0067—04

某大型水轮发电机励磁引线烧毁事故原因分析

李慧磊,陆本光,陈思源,高 洋

(云南华电鲁地拉水电有限公司，云南省大理市 671211)

针对国内某大型水轮发电机励磁引线烧毁事故，从发电机发生事故时的安装情况、运行状况、励磁引线的材质、机械变形及引线温升对绝缘材料影响等几个方面进行了分析，对于大型水轮发电机励磁引线的截面设计、材料选择及受力情况、大型水轮发电机组安装和检修提出了建议，具有一定的借鉴作用。

励磁引线;引线材质;引线变形受力;温升;绝缘材料

0 前 言

2010年10月25日09:09:08，某电厂运行值班人员在3号发电机组并网发电过程中，当机组起励建压成功，开机至空载态时，发现计算机监控系统上位机报“3号发电机B套保护装置告警”，09：09：13，上位机报“3号发电机B套保护转子一点接地报警”，09:09:23，上位机报“3号机转子温度过高(励磁调节器计算产生)”，09：09：24，上位机报“3号机励磁装置故障报警”。 09：12，厂房运行值班负责人发现处于开机过程中的3号发电机组上机架盖板下方有明显弧光，并伴随有绝缘材料由于高温产生的异常气味，随即在现场机组LCU柜内按下“事故停机”按钮，启动事故停机流程进行停机。09:12:23，3号发电机组事故停机动作。在停机过程中，当3号机励磁系统灭磁开关断开后，上机架内电弧光随即消失。事发后，电厂人员当即通知发电机厂家，安排专业人员赶赴现场对发电机组定、转子部分进行检查处理，并对事故产生的原因进行分析。

1 3号发电机组励磁引线烧毁事故检查结果及现场初步分析

1.1 3号发电机组励磁引线烧毁事故检查经过及结果

2010年10月27日20:00时厂家人员到场后，由发电机组上机架盖板进入电站3号机风罩内，到达转子支架上表面，进行事故勘察。勘查的结果为：发电机转子励磁引线负极“Ω”软连接、励磁引线支撑及下方转子本体扇形板与转子挡风板连接处烧毁(详见图1,2)，其中截面为100 mm×8 mm励磁引线及“Ω”软连接大部分烧毁，励磁引线支撑线夹部分烧熔，励磁引线下方转子支架挡风板上被烧出1个洞。10月28日发电机厂家与电厂值班人员及相关技术人员在现场召开专题会，查看3号发电机组在事发当日报警时相关机组数据和曲线，发现3号发电机组在发生“3号发电机B套保护装置告警”及“3号发电机B套保护转子一点接地报警”时，机端电压正常，励磁电流、励磁电压正常，中性点不平衡电流出现波动。2010年10月28日11：00再次进入事故现场，对整个励磁引线机械变形情况进行调查，调查结果为：烧毁的励磁引线及其连接的引线未发现明显的机械变形，发生烧毁的部位仅发电机励磁引线负极“Ω”软连接与引线连接部位发生了较为严重的机械变形。并发现励磁引线正、负极“Ω”软连接与引线连接部位的把合螺栓部分未按照厂家图纸要求安装止动垫片。

图1 发生烧毁位置的部套位置部套结构图

图2 现场励磁引线的烧毁情况图

1.2 3号发电机组励磁引线烧毁事故现场初步分析结果

经过厂家人员和电厂人员多次对现场的检查和对励磁引线烧毁部分的分析，初步确定造成此次励磁引线烧毁的原因有以下3种可能：

(1) 由于励磁引线截面设计偏小，引起引线本体电气过流和温升过高，进而发生烧毁；

(2) 由于励磁引线在转子转动过程中受到机械应力发生机械变形，造成此次烧毁事故；

(3) 由于在安装过程中未按照厂家图纸要求和工艺进行施工，对励磁引线与“Ω”软连接未能按照厂家质量要求进行把合，造成把合部位接触电阻过大，引起此次烧毁事故。

2 励磁引线烧毁事故原因分析情况

结合现场励磁引线烧毁的现象，针对现场初步分析3种可能的结果，采用不同方法进行了详细的分析。

(1) 该水轮发电机额定励磁电流为3 230 A，励磁引线截面为100 mm×8 mm，励磁引线电密计算值为4 A/mm2，励磁引线与“Ω”软连接螺栓把合接触面部分接触电密0.38 A/mm2。由此得到过流及温升情况分析如下：

使用ANSYS11.0有限元分析软件进行该励磁引线在通过额定电流情况下温度的计算。

通过电磁场和温度场耦合的方法，首先计算出导线的铜损，再以铜损作为下一步温度计算的载荷，分析引线的温度分布。

本此烧毁的励磁引线所用的材料特性如下：

铜的材料属性 相对磁导率 1

电阻率 24.76×10-9Ω/m(125 ℃)

导热系数 395 W/(m.K)

绝缘的材料属性 相对磁导率 1

导热系数 0.2 W/(m.K)

引线截面积 8 mm×100 mm

环境温度 40 ℃

引线电流 3 230 A

对流换热系数 20 W/(m2.K)(风速按2 m/s，

实际的换热系数要优于此值)。

进而选取部分励磁引线的导体进行四边形几何模型剖分，剖分单元总数为4 544个。再通过软件中电磁场求解单元和温度场求解单元计算后得出，几何模型及通过额定电流时的温升情况如图3所示。

由图3可知，引线的最大温度为126.3 ℃，位于引线的铜导体上，温升为86.3 K；绝缘表面的最小温度为123.3 ℃，接近B 级(130 ℃)，远未达到实际绝缘材料F 级(155 ℃)[1]。

因此，可以排除由于励磁引线截面设计偏小，引起引线本体电气过流和温升过高，造成此次励磁引线烧毁的可能性分析。

图3 励磁引线在过流情况下温度图

(2) 计算采用有限元计算(ANSYS V9.0)方法，分别对引线烧毁处励磁引线和软连接部分在飞逸工况下的应力进行了分析。该段的有限元模型如图4所示。

图4 引线烧毁处励磁引线和软连接部分的有限元模型图

机组及励磁引线机械计算主要参数：

设计飞逸转速 245 r/min

引线计算段重量 11 kg

引线重心半径 4 830 mm

引线宽度 100 mm

引线材料 T2

引线材料屈服极限 70 MPa。

计算分别得出烧毁处励磁引线和“Ω”软连接部分的应力分布情况，如图5、6所示。

图5 烧毁处励磁引线所受应力分布情况图

根据以上的计算结果，飞逸工况下，如图5所示，烧毁处励磁引线的最大应力为45.2 MPa，分布在引线竖直段以及折弯位置，最大应力不超过软铜材料的屈服极限，因此不会产生塑性变形。如图6所示，引线“Ω”软连接处的应力为12 MPa，所受应力较小。由此而造成的径向位移，无论在烧毁处励磁引线或者“Ω”软连接处都较小，均在设计的允许范围之内，即使考虑转子支架与磁轭之间的相对位移(约1～2 mm)，软连接的弹性变形也可以消化位移差。

图6 “Ω”软连接部分的应力分布情况图

综上所述，由于转速等机械原因产生的应力及变形都较小，应力不超过材料的屈服极限，产生的径向变形也较小，且完全在弹性变形的范围之内，因此可以排除由于励磁引线在转子转动过程中受到机械应力发生机械变形，造成此次烧毁事故的可能性。

(3) 排除引起此次烧毁事故上述的2种情况后，厂家及电厂技术人员再次对励磁引线烧毁部位进行了检查，并将事故中没有烧毁的“Ω”软连接另一端连接部位打开，发现此端“Ω”软连接部位与励磁引线把合接触面有大量已经固化的锁定胶且存在部分螺栓松动及止动锁片未安装的情况。由此可以判断，此次事故烧毁处的励磁引线与“Ω”软连接部位也使用的同样安装工艺，并未按照厂家要求使用螺栓把合和加装止动锁片的方式进行励磁引线与“Ω”软连接部位的安装工艺，而是使用锁定胶进行螺栓锁定，致使大量锁定胶粘连在励磁引线与“Ω”软连接接触面，造成软连接与励磁引线连接部分接触不良引起的接触电阻过大，在通入励磁电流后，引起该部位温度过高。励磁引线在转子支架与磁轭之间设置了“Ω”软连接以适应机组运行过程中磁轭与转子支架的膨胀值和机械应力不同。如果连接接头部分螺栓把合度不够或者止动锁片未安装，机组在运行过程中由于振动、软连接受热位移等原因，会造成软连接部位把合螺栓松动，通入励磁电流后就会有电弧产生，致使事故按以下过程发生：

1) 软连接与励磁引线连接部分存在接触不良，当通入励磁电流后，造成局部发热，使发热部分产生铜溶化现象，有铜水流出。铜水与转子支架接触位置产生转子一点接地。

2) 铜水在离心力的作用下，堆积在靠近磁极侧的引线支撑上，同时转子中心侧的引线绝缘烧毁，使这根引线接地，两端引线通过转子支架连通，所以转子有持续稳定的励磁电压、电流，机端电压稳定。

3) 励磁引线烧断后，转子中心侧的引线在离心力的作用下，与转子支架虚接，产生电焊效应，所以事故过程中有明显弧光。

3 结 语

伴随着中国水电机组装机单机容量的不断增大，发电机励磁电流也不断的提高，在进行发电机选型和设计过程中，不仅应在设计阶段充分考虑励磁引线的材料、截面、通流能力及引线的设计结构和在机组实际运行过程中的受力情况，并应在机组安装或检修过程中，严格执行《水轮发电机基本技术条件》和《水轮发电机组安装技术规范》及厂家安装指导文件，特别是要把控好大电流直流回路及接触面检查工作，避免此类事故的发生。

[1] SL 321-2005，大中型水轮发电机基本技术条件[S].北京：中国水利水电出版社,2005.

[2] GB/T7894-2009,水轮发电机基本技术条件[S].北京：中国标准出版社，2009.

[3] GB/T8564-2003,水轮发电机组安装技术规范[S].北京：中国标准出版社，2003.

[4] 胡承斌.蜀河水电站励磁系统缺陷处理[J].西北水电,2012，(6)：77-80.

[5] 何建辉.公伯峡水电站发电机励磁系统[J].西北水电,2005,(2):46-48.

Analysis on Burning Causes of Excitation Lead of One Large Hydraulic Turbine Generator

LI Hui-lei, LU Ben-guang, CHEN Si-yuan, GAO Yang

(Yunan Huadian Ludila Hydropower Co., Ltd., Dali City, Yunan 671211,China)

Aiming at the burning accident of one large hydraulic turbine generator, analysis is performed in terms of installation, operation, excitation lead material, mechanical deformation, and impacts on insulating materials from the lead temperature rise, etc. Section design, materials selection and action of the excitation lead as well as large unit installation and maintenance are commented. These analysis and comments provide reference to similar occurrence.

excitation lead; lead material; lead deformation action; temperature rise; insulating material

2015-01-04

李慧磊(1982- )，男，河北省石家庄市高邑县人，助理工程师，从事发电厂机组调试，励磁系统现场调试、维护工作和水电厂生产管理工作.

TV734.2

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.03.019