双水内冷发电机转子线圈绕组漏水故障处理及分析

周文源

(上海外经集团有限公司，上海200032)

0 引言

随着“一带一路”政策的逐步实施，国产电力设备越来越多地走向世界各地，在当地环境条件恶劣、外部检查诊断仪器匮乏的情况下，快速诊断故障、确保电力设备的安全运行至关重要。若不及时发现双水内冷发电机转子漏水故障，进行停机处理，将耽误设备抢修的时间，轻则导致机组停运，重则将烧毁绕组或铁芯，损坏大轴[1]。以往缺乏有效的报警装置，常通过检漏装置、毛发湿度仪、湿敏电阻传感报警等装置来进行诊断[2-13]，但这些手段不能区分发电机本体和空冷器漏水两类不同故障。尤其当发电机各温度监测及定、转子水压均无异常，仅有空冷室地面积水的情况下，并不能通过上述常规手段进行快速诊断。本文采用了水质化验的初步判定方法，快速高效地对双水内冷发电机转子绕组线圈漏水故障进行分析和诊断。

1 设备概况

该电厂2号发电机型号为QFS-110-2双水内冷汽轮发电机，发电机转子的激磁绕组采用内部通水冷却，且有单独的水回路系统，冷却水来自化学的除盐水，从励磁机和发电机转子的轴孔中流入，经励磁侧进水箱，分配到特殊设计的12根绝缘引水管流到转子的各空心线圈内，从汽侧线圈流出经绝缘引水管汇集到出水箱。转子线圈由空心方形铜线绕制而成，通过钢丝套保护四氟乙烯连接管与进(出)水箱连接，再通过进水支座、出水支座组成完整的水路系统。发电机冷却方式为双水内冷，定子、转子绕组水内冷，铁芯为空冷。为确保发电机的运行可靠，发电机装设温度监测、漏水监测、断水监测等基本自动监测装置。

双水内冷发电机定子、转子线圈冷却水路如图1所示，软水进入水箱①，水箱①里的冷却水由冷水泵②(一台运行，一台备用)打到冷水器③内，水从冷水器③出来分成两路，一路通定子，一路通转子，分别对定子④和转子⑤进行冷却，带走热量的水经过再回到水箱①内，这样周而复始。

图1 双水内冷发电机组线圈冷却水路示意图

发电机空气冷却器冷却水路如图2所示，硬水由蓄水池流出经过水泵到空冷器，从空冷器流出的水经过冷却塔回到所述蓄水池。

图2 发电机空气冷却器冷却水路示意图

2 故障情况

在某次巡查时发现2号发电机空冷器底部有积水，打开发电机空冷器室观察窗，逐一退出上、下层各组冷却器进行检查。由于发电机空冷器上下层冷却器重叠且观察位置受限，无法准确判断泄漏管组及具体泄漏点，当时该电厂2号发电机各点温度、机组振动监测及定转子水压均无异常，发电机的各项电流、电压等参数都显示正常。因为转子一直处于高速旋转状态，发电机小室内部少量的水滴很快在高速旋转的离心力和冷却风扇的粉碎力作用下，变成雾状分散于冷却空气中，无法进行判断是发电机转子、定子或空气冷却器冷却水管泄露。

3 故障诊断方法

3.1 常规的故障诊断方法

区分是发电机本体漏水还是空冷器漏水的常规诊断手段有两种，一种是制造厂在发电机定子机座两端和空冷器小室里装设电阻检漏板；另外一种是运行单位加装毛发湿度仪及湿敏电阻传感器。

常规的检测方法存在缺陷:①制造厂装设电阻检漏板能反映滴状的漏水，但很难及时反映雾状漏水；②毛发湿度仪、湿敏电阻传感器的采样气体大都取之于空冷器小室，而且以机内相对湿度某定值作为报警值，不能具有定性报警的功能。

导致发电机内部相对湿度上升的原因有定子绝缘引水管和水电接头漏水，转子绝缘引水管、引水拐角、转子铜线焊接头等处漏水和空气冷却器漏水[14]。另外，季节、负荷的变化也会使发电机内部相对湿度发生变化，特别在亚热带地区，受周围环境的影响更加严重。由于定子是静止体，漏水时一般成滴状流出来，容易被检漏板检测到或被肉眼观察到。而转子在运行时一直处于高速旋转状态，少量的水滴会在漏水初期高速旋转的离心力和冷却风扇的粉碎力作用下，变成雾状分散于冷却空气中，此时电阻检漏板不会有反应，毛发湿度仪或其他湿度传感器虽会有所反应，但同空冷器漏水一样，往往都能在空冷器小室里首先发现有水迹，无法区分，容易造成误判[14]。而当发电机各温度监测及定、转子水压均无异常，外界电力负荷紧张，未确认漏水部位的情况下，无法做到停机检查[14]。

3.2 水质化验判定的故障诊断方法

取2号发电机空冷器底部积水进行化验，如果化验结果是软水，可以判断是发电机漏水，化验结果为硬水，则判断是空冷器漏水。因为双水内冷发电机定子、转子冷却水质要求透明纯净，无机械混杂物，在水温20℃时应满足一定指标(电导率为0.5～1.5μs/cm；pH为7.0～9.0；硬度＜10μg当量/L)，而空冷器冷却水管里的冷却水的水质就是一般的工业水。通过检查发电机的漏水的形式是滴水还是雾状，可以进一步判断是发电机的定子或转子漏水。若空冷小室雾状漏水，则可初步判断是发电机转子漏水。

4 故障现场处理

确认是发电机转子线圈泄露后，立即进行停机处理:①在拔护环前，做0.4 MPa水压试验时，发现长引线3号包线圈槽内中间部位最先漏水，逐渐向两侧漏水；②拔励端护环后，将槽楔退出，做0.4～0.6 MPa水压试验，端部第一二匝、五六匝之间漏水，槽内中间部位少量漏水；③将面匝(第七匝)铜线翻起检查，没有漏水点，初步怀疑是第一二匝或第五六匝的中间部位向两端和面匝漏水；④现场继续将汽端护环拔出，拆出3号包线圈，发现漏点在底匝(槽底第一匝)大圈位置，漏点朝向槽底，在铜线接头处。该槽内绝缘水浸湿严重，转子槽内锈蚀较重。

设备修理后按照要求进行相关试验，各种参数达到要求，投入盘车运行正常，盘车电流30 A、大轴晃动1丝，开机后各项参数正常。

5 原因分析

5.1 应力分析

因自重的作用，发电机转子运行中会产生交变的静挠度，同时也使转子线圈产生交变的径向和轴向相对位移，转子每转动一周，线圈因转子静挠度产生的径向和轴向相对位移就变化一个循环周期，由此产生一个交变应力。

5.2 焊接工艺分析

虽然转子绕组铜管钎焊焊体厚度符合制造厂工艺要求，但焊接时温度控制不良，导致焊体边沿处铜管过热损伤，在长期应力作用下疲劳。

5.3 运行方式分析

发电机转子以额定转速转动，静应力为恒定值，交变应力有稳定的幅值和周期。但发电机每一次启动或停机，转子温度、转速都将经历一个升高—降低的变化过程。这一过程中，静应力随转速将产生交变，转子挠度产生的交变应力的幅值和周期也将发生变化。另外转子在启停过程中温度的变化还会产生热应力，因此每一次机组启停尤其跳闸甩负荷时都将形成更大的疲劳损伤[15]。

经分析，该发电机转子线圈由于绕组铜管焊接过热损伤，在正常运行自重应力及启停跳闸甩负荷特殊工况附加应力的作用下最终疲劳失效导致泄漏。

6 预防措施及建议

1)制造厂改进钎焊工艺，避免疲劳损伤或缺陷；机组安装期间，严格按制造厂和相关标准进行定子和转子的水压试验，及时发现并消除渗漏缺陷；运行期间发现漏水时，应果断停机检查，以免扩大造成毁机事故。

2)机组正常运行时，加强对发电机巡查，加强定子、转子冷却水进水压力、定子两端视察窗、冷风室地面是否积水、空冷器有否结露的检查巡视。尽量避免过于频繁的开停机，负荷不宜过于频繁幅度过大。

3)加强对发电机运行参数的监视，做好检漏装置的维护工作，检修期间应进行检漏装置试验，确保其功能正常，当发电机湿度检测仪报警时应仔细检查原因；机组临时检修时加强定子、转子绕组绝缘电阻测试，及时发现绝缘或漏水缺陷。按要求进行发电机定子、转子检修项目，确保各项试验结果合格。

7 结语

国产发电机在海外工作环境下发生了国内少见的水内冷发电机转子绕组线圈漏水故障，现场无法利用常规双水内冷发电机组检漏装置、毛发湿度仪和湿敏电阻传感报警装置正确判断发电机泄漏位置。通过检测漏水水质为软水，区分漏水形态为雾状，在现场有限的条件下快速判断为发电机本体转子漏水，为缺陷的正确处理指明方向。