某电厂汽轮发电机定子绕组接地跳机原因分析

刘明军

(哈尔滨电气集团海洋智能装备有限公司,哈尔滨150023)

0 引 言

大型汽轮发电机组是电力系统的核心设备,其运行可靠性对电力系统的稳定运行、电能质量的保障都有着极其重要的作用。作为汽轮发电机的关键部件,定子绕组的主要作用是进行能量的转换和电能的输出,它由不同铁心槽的上下层两根条形线棒连接而成,其绑扎方式一般采用压板式固定方式[1]。当电厂的一个系统或者几个系统发生故障,使得发电机突然跳闸停机,即跳机。发电机跳机不仅会对电力系统的安全运行造成影响,同时还会带来巨额的经济损失。因此,研究发电机跳机事件的原因和预防措施,对于保障电力系统的安全运行和提高电力系统的可靠性具有重要意义。该文结合某电厂发电机定子绕组接地跳机事件,通过开展现场检查、现场试验以及对分布式控制系统 (distributed control system, DCS)历史数据进行分析,探究发电机跳机的原因,并对类似事件提出预防措施[2-5]。

1 事件概况

某电厂1号汽轮发电机为QFSN3-630-2型水氢冷汽轮发电机,额定功率为626 MW,该机组于2015年并网发电。某日,发电机组出现二次冷却水断水情况,在失去外部冷却条件下,发电机经历了短时事故运行,待二次冷却水流量恢复后,发电机仍继续运行,几日后,发生发电机定子绕组接地跳机事件。

2 检查情况

2.1 定子绕组情况

拆除1号汽轮发电机定子中性点与引出线软连接后，做定子绕组三相直流电阻试验，试验结果为RU=0.784 9 mΩ，RV=1.513 0 mΩ，RW=0.786 3 mΩ(室温：26.5 ℃，湿度61%)；在拆除导风环前，发现导风环内侧筋板处有金属混合物残渣，如图1所示。

图1 导风环上金属混合物残渣

现场发现定子绕组端部绝缘表面及绝缘引水管均有油迹,汽端2点钟方向26号槽处鼻端手包绝缘裂开,裂开处位于连接股线L型块位置,并可看到L型块有缺损。发电机汽端内端盖有碳黑痕迹,破损线棒鼻端与相邻鼻端手包绝缘表面均有不同程度的黑色碳化痕迹,如图2所示。

图2 定子绕组汽端手包绝缘局部碳化

2.2 定子线棒鼻端情况

现场拆除破损线棒鼻端绝缘后,发现26号槽的上层线棒与股线相连的内部绝缘已碳化,上层线棒水盒部分熔融,与其相连的L型块、连接股线、绝缘引水管水接头等均发生熔损[6],如图3所示。同时,26号槽的下层线棒水盒完好,与其相连的L型块、连接股线、绝缘引水管水接头等均完好。

图3 定子线棒水盒烧损

2.3 绝缘引水管与汇流管情况

现场检查发电机汽端定子26号槽上层线棒绝缘引水管与汇流管连接处情况,发现其外层绝缘表面漆膜完整,漆色正常,测温元件完好;除去其表层绝缘,绝缘内层密实完整、未见碳化痕迹。在拆除绝缘引水管时,发现汽端汇流管的钢嘴上存在烧损痕迹,钢嘴缺损最多处约5 mm,钢嘴内壁粗糙,且附着细小金属颗粒物,钢嘴外壁表面光滑,如图4所示。

图4 定子绕组水接头损坏

2.4 水管路情况

现场拆解定子绕组一次水管路,检查进水和反冲洗过滤器无异物;检查汽、励端汇流管无异物;检查定子一次水储水箱,水箱内壁光滑,在底部(定子一次水出水口下方)有金属沉淀残渣,残渣中发现长螺钉,故判断水箱金属残渣为汽端26号槽上层线棒鼻端烧熔物,如图5所示。

图5 定子一次水储水箱检查

3 事故原因分析

根据拆解记录,该事故为汽轮发电机定子绕组和线棒鼻端发生烧损,造成机组跳机的一次重大设备事故[7]。结合定子绕组汽端手包绝缘局部碳化、定子线棒水盒烧损、定子绕组水接头损坏等现象,分析造成事故的原因。

3.1 定子绕组污染和绝缘受损

现场检查的定子绕组及拆除破损线棒鼻端绝缘结果表明,有油迹进入定子绕组,定子绕组发生了污染。被污染的定子绕组内部会发生放电现象,破坏绝缘材料的化学键造成绝缘材料的表面侵蚀,放电产生的局部过热进一步加重了定子线棒鼻端绝缘的受损程度,并最终导致线棒鼻端烧损。

3.2 水箱内金属沉淀

现场检查定子一次水储水箱底部有金属沉淀残渣,残渣中有长螺钉,判断水箱金属残渣为汽端 26号槽上层线棒鼻端烧熔物。螺钉的存在会增加金属离子的浓度,从而影响水箱内水质,可能促使水垢形成和增加金属离子浓度,进而导致管路堵塞,影响设备稳定性。

3.3 机械磨损

现场发现导风环内侧筋板处有金属混合物残渣,同时汽端汇流管的钢嘴上存在烧损痕迹,内壁粗糙,且附着细小金属颗粒物。结果表明,机械磨损会带来金属颗粒的产生和沉积,可能影响设备的正常运行,进而产生故障。

3.4 分布式控制系统数据分析

根据电厂DCS运行记录显示,1号发电机发生二次冷却水断水运行,发电机定子绕组一次内冷水和氢气冷却器没有二次水进行冷却,因而定子绕组内冷水进水和氢气进风温度急剧上升,远高于发电机额定温度,见表1。

表1 断水期间发电机冷却介质温度

根据该发电机说明书要求,发电机定子内冷水总出水温度达到85℃时报警,达到90 ℃时发电机跳机,由表1可知,该发电机断水期间定子内冷水总出水温度已达106.32 ℃,远超跳机限制90 ℃。同时,说明书中规定了发电机应设有定子绕组过热保护,即:当定子绕组任何两个同层线棒出水温度的温差大于 8 ℃时,应当发出报警信号,当温差达到12 ℃时应立即将发电机与电网解列,同时解除发电机励磁。如表1所示,事故期间发电机线上层线棒出水温度为93～107 ℃,下层线棒出水温度为92～106 ℃,同层差值已达14 ℃,超过跳机限值12 ℃,随后发电机跳机事件发生。

4 结 语

综上所述,定子绕组被污染引发局部放电导致的定子线棒鼻端绝缘烧损、水箱内金属沉淀以及机械磨损等因素导致的上层线棒短时磨损都可能引发此次发电机定子绕组接地跳机事件。为预防类似事故的发生,提出下列建议:

1)发电机使用单位应采取定期检查和维护、加强温度监测和控制、加强水路系统检查和维护等措施。

2)同类型发电机发生短时停机事故后,应尽早进行深度检查,拒绝发电机带病工作,避免更严重的事故发生。