浅谈水轮发电机组定子端接头绝缘与处理

浅谈水轮发电机组定子端接头绝缘浅谈水轮发电机组定子端接头绝缘 与处理与处理 在有关水轮发电机定子绝缘的文献中很少单独提及定子端 接头绝缘 主要原因是处理端接头绝缘比处理线棒击穿容易 且在制作和检修工艺得到保障的情况下 端接头绝缘寿命是较 长的 但是 发电机组在长期运行中 由于受到电 热 机械 和化学等因素的长期作用 其定子端接头绝缘的电气和机械强度 将逐渐降低 加上由于厂家制造工艺或定子绕组现场下线工艺 的原因 水轮发电机定子绕组端接头绝缘往往成了发电机定子 绝缘的薄弱点 而在 电气设备预防性试验规程 中又没有明确 要求单独检查水轮发电机定子绕组端接头绝缘 故在交接试验 及预防性试验中往往就忽视了这一点 本文通过介绍青溪水电 厂 3 号机组事故的处理 阐述了影响水轮发电机组定子绕组端 接头绝缘的主要因素 试验检查和处理方法 1 端接头绝缘的种类端接头绝缘的种类 端接头绝缘分为套管式 绝缘盒式 绝缘和连续式绝缘 套管 式绝缘是把绕组的槽内部分先加以绝缘 然后再把端接部分绝 缘 连续式绝缘是把整个线圈用窄云母带交叠缠绕 其优点是绕 组有效部分与端接部分的绝缘之间没有接缝 线圈在放入槽中 以前 应先进行真空浸渍处理 把藏在绝缘材料间隙中的空气 驱出 然后在一定压力下把绝缘漆压入这些间隙内 这样可以 提高绕组绝缘水平 由于水轮发电机组直径较大 为了方便运 输 常将定子分成 4 6 瓣分别制造 到现场后再并装成一体 有部分下线和端接头制造是在现场完成的 因受现场的条件限 制 通常端接头接连的工艺水平及质量要比在制造厂里制作的 差些 运行中 各瓣间存在着不同步的微小振动 也会影响端 接头的接触电阻 进而影响端接头绝缘水平 2 影响端接头绝缘的主要因素影响端接头绝缘的主要因素 总体来看 影响水轮发电机组端接头绝缘的主要因素有以 下 4 个方面 2 1 端接头接触电阻增大 大电流通过时发热导至绝缘水平 下降 端接头接触电阻与端接头的焊接方法和焊接工艺有关 目 前一般采用的焊接法有铅锡焊接法和银铜焊接法 铅锡焊接法 的优点是焊接温度较低 焊接工艺简单 但铅锡焊料允许通过 的电流密度低 抗拉强度不高 银铜焊接法的银铜焊料允许通 过的电流密度高 抗拉强度也高 但银铜焊接温度高 焊接工 艺要求也高 无论是铅锡焊接或银铜焊接 其内部都有可能存 在焊接物不严实的情况 其不严实度直接影响到接头接触电阻 值的大小 若接头接触电阻增大 温度升高 会引起绝缘水平 降低 严重者则会造成事故 因而提高制作人员和检修人员的 焊接水平 是防止接头绝缘事故的重要环节 为了防止端接头电阻增大 我们每次大修时都要测量绕组 的直流电阻 必要时还要测量端接头接触电阻 根据规程规定 绕组直流电阻值在校正了由于引线长度不同而引起的误差后 相互间差别与初次 出厂或交接时 测量值比较 相差不得大于最 小值的 1 超出要求者则应查明原因 若绕组直流电阻增大 有可能是端接头接触电阻增大 实际上表明某些端接头在运行 中受电 热和机械力的作用而发生了变化 导致该接头的接触 电阻增大 根据 q i2rt 在额定电流下 接触电阻增大的接头 会局部发热 如此长期运行 绝缘材料便会逐渐热老化 热老 化的象征大多为绝缘颜色逐渐变为焦黑 失去弹性 变硬 变 脆 发生龟裂 机械强度降低 严重者受振动即剥裂 掉落 进而造成事故 2 2 绝缘材料的选择与配制 影响端接头绝缘的另外一个因素是绝缘材料的选择与配制 绝缘材料的种类很多 可分为天然的与人造的 有机的与无机 的 有时也采用不同绝缘材料进行人工组合 如线棒绝缘 云 母带 绝缘漆 收缩带 端接头绝缘 绝缘盒式 绝缘盒 环氧 树脂 聚酰胺树脂 石英粉 绝缘盒是由厂家根据机组端接头 的尺寸预先制造的 绝缘盒与接头应有一定的空间 如果绝缘 盒太小 如青溪水电厂 4 台机组 在灌注绝缘填料时 很多地方 的气泡都因空间太小而排出不来 造成绝缘盒内部有很大的气 隙 或气泡 严重影响机组的绝缘水平 绝缘填料主要由环氧树 脂 聚酰胺树脂 石英粉按一定比例配制而成 其比例视聚酰 胺树脂的标号而不同 石英粉过多会造成绝缘填料太浓 不容 易灌注 且灌注后绝缘盒内许多气泡排出不来 石英粉过少会 造成绝缘填料固化后机械强度不够 聚酰胺树脂过少会造成绝 缘填料不容易固化 聚酰胺树脂过多 会造成绝缘填料固化时 间短 且绝缘变脆 变硬 失去弹性 受振动或打击时容易破 裂 当然绝缘填料配制时与当时的环境温度也有很大关系 以 上种种比例失调 都会造成绝缘不良现象 直接影响端接头绝 缘质量 表 1 为绝缘填料的参考配方 2 3 端接头绝缘的制作工艺 再一个影响端接头绝缘的因素是端接头绝缘制作工艺过程 下端部接头绝缘 绝缘盒式 制作工艺是在绝缘盒中倒一定量的绝 缘填料 慢慢地套在接头上 制作时 首先要放入适量的绝缘 填料 多了会溢出 少了装不满 再往绝缘盒中倒绝缘填料就 比较麻烦 其次 套进接头的过程不能太快 一方面是由于太 快了 绝缘填料还没来得及渗入绝缘盒内每一部位就溢出绝缘 盒 另一方面是会在接头绝缘中留有气泡 严重影响绝缘性能 上端部接头绝缘 绝缘盒式 的制作就比较复杂 首先是绝缘盒底 部封口问题 有两种制作方法 一种是用环氧泥封 等环氧泥 固化后与绝缘盒成一体 作为机组绝缘的一部分 另一种是用 石棉泥铺在接头底部 把绝缘盒套上 往绝缘盒中灌注绝缘填 料 待绝缘填料固化后 将石棉泥去掉 第一种方法的好处是 环氧泥粘在线棒绝缘上 加强了端接头的绝缘 第二种方法制 作的接头绝缘其外观较好 绝缘盒口较平整 在制作中两种方 法都可采用 至于灌注绝缘填料亦要有一定的步骤 不能一次 灌满 应在不完全固化时分 3 次灌注 以免绝缘盒中的气泡没 全排出来 影响绝缘水平 另外在第一次灌注时也可将绝缘盒 底部进一步密封 防止绝缘填料注满后从绝缘盒底部渗漏 2 4 机械振动 发电机的定子端接头都伸出到铁心外面 运行中受到外界 和自身 机械和电磁 的力的影响而不停地产生振动 特别是大型 发电机 其电压等级较高 且端接头伸出铁心较长 机组定子 分瓣数也较多 影响就更大 如青溪水电厂 1 2 3 号 3 台机 组 在测量绝缘盒泄漏电流时 发现在分瓣处 特别是跨两瓣 的接头绝缘盒较容易击穿或泄漏电流过大 也就证明该处不仅 有现场下线工艺的原因 还有绝缘受机械振动影响最大的原因 所以 在分瓣处的接头制作工艺上要特别严格 仔细 在试验 检查过程中 也 魑 氐憬 屑觳椤 br 综上所述 无论是哪 方面的因素 对端接头绝缘的影响都很大 因而提高制作人员 和检修人员的制作水平是防止端接头绝缘事故的重要环节 3 端接头绝缘和接触电阻的试验方法端接头绝缘和接触电阻的试验方法 在 电气设备预防性试验规程 中没有明确要求单独检查 水轮发电机组定子绕组端接头绝缘 为了预防事故的发生 根 据机组现有的绝缘薄弱点 如青溪水电厂 4 台机组 借鉴汽轮 发电机定子绕组端部手包绝缘的试验方法 用如下试验方法较 为有效 3 1 端接头绝缘盒的泄漏电流测量 当发电机上挡风板和转子吊出后 在定子绕组端接头绝缘 盒周围用手工包一层锡铂纸 为使锡铂纸贴紧绝缘盒 在锡铂 纸周围扎一条橡皮筋 然后用绝缘棒把导线及已包好锡铂纸的 绝缘盒引至微安表 用直流高压发生器对定子绕组 定子绕组三 相短接起来 加直流 13 8kv 电压 读取泄漏电流 塞午勾加至 13 8kv 即放电击穿 或相比之下泄漏电流较大 即视为不合格 绝缘盒 需处理 一般不合格的绝缘盒其放电电压在 12kv 左右 或泄漏电流在 30 50 a 之间 有个别绝缘盒泄漏电流甚至大于 100 a 由于定子绕组绝缘盒数量很多 为加快试验速度 试验 时可先把绝缘盒用锡铂纸逐一包好 20 30 个 然后逐一试验 3 2 端接头接触电阻的测量 端接头接触电阻的测量方法主要有几种 大电流压降法 涡流探测法 电桥法以及用红外热像测温仪测量 红外热像测 温仪测量是一种新方法 在定子绕组通一大电流 使定子接头 产生温升 当一定时间后 定子接头温升达到稳定 此时用红 外热像仪测量每一定子接头的温度 然后进行比较判断 它的 优点是方便且不须刺破被测接头绝缘 电桥法是用双臂电桥测 量 由于电桥法和大电流压降法都须损伤接头绝缘 而大电流 压降法一般比电桥法更准确 灵敏 所以在这种情况下一般不 采用电桥法而采用大电流压降法测量 大电流压降法是在绕组 中通以不大于 20 in 的电流 测量接头上所产生的压降 根据 r u i 计算出接头接触电阻值 这种方法一般是在端接头焊完 还未包绝缘的情况下使用 准确度比较高 但受测点位置和探 针接触的影响 测量结果有一定的分散性 良好的端接头接触 电阻一般只有几微欧 而且绝大部分焊接接头的接触电阻值小 于同长度线圈导体的直流电阻值 不良端接头的接触电阻不但 会超过同长度线圈导体的直流电阻值 而且会比良好接头的接 触电阻大许多倍 涡流探测法是根据静止的整块导体在交变磁 场中感应产生涡流的原理制成的 如图 3 如果接头结构不严实 接触不良 焊接物未灌满 则涡流所通过路径的电阻大 量 此种方法只适用于整块接头型式的接头测量 这种方 法最大的优点是方便且不须刺破被测接头的绝缘 但在测量时 探头所放的位置 接头形状及周围环境都有很大的关系 使得 探测结果分散性较大 所以现在一般不用此方法测量 在以上 4 种测量方法中一般当接头未包绝缘时采用大电流压降法 而 接头包绝缘后则逐步倾向于采用红外热像仪测量 4 事故实例事故实例 4 1 事故概况 1997 年 6 月 12 日 青溪水电厂 3 号发电机组定子绕组突 然三相短路 保护动作 事故后检查发现 三相定子绕组绝缘 电阻均为零 拆开发电机定子出线方向盖板及上挡风板 发现 转子上有许多定子绕组端接头绝缘盒碎片 再沿转子磁极爬进 去进一步检查 发现在 x 方向定子绕组上端有 3 个端接头绝缘 盒已碎裂 并在此方向的定子上端有一段已烧黑 为定子绕组 三相短路引起 4 2 事故分析 青溪水电厂 4 台发电机型号为 sf36 48 8540 额定功率为 42353kva 额定电压为 13 8kv 额定电流为 1772a 额定频率 为 50hz 额定功率因数为 0 85 定子绕组接法为 y 型 相数为 3 绝缘等级为 f f 其端接头绝缘为绝缘盒式绝缘 在当时的 抢修中剖开被烧坏的绝缘盒及以后对 1 2 3 号 3 台机组大修 中对定子绕组端接头绝缘盒的处理中发现 不合格的绝缘盒大 部分是位于定子绕组 x x y y4 个方向的现场下线分瓣合 缝处 说明主要原因是定子绕组现场下线工艺不良 其次是制 造厂家制造时工艺不良 再有就是该处处于机械振动影响最大 的地方 造成定子绕组端接头绝缘盒成为绝缘薄弱点的原因主 要有 3 种 1 由于绝缘盒太小和绝缘填料灌注工艺的原因 造成绝缘 盒内的绝缘填料严重未填满和未填实 形成绝缘盒内有空隙 有个别绝缘盒内只有少许的绝缘填料 绝缘盒内大部分为空隙 如图 5a 2 有些上端部绝缘盒的上部有定子绕组横跨梁 在现场下 线时需把绝缘盒竖立剖开后才能套入 套入后由于工艺上的原 因造成剖开的绝缘盒装回后有缝隙 如图 5b 中的虚线 3 有些上端部绝缘盒本身上盖盖得不密封 又没有绝缘材 料把绝缘盒与上盖间的缝隙堵严 特别是缝隙的 4 个角上 最 容易成为绝缘薄弱点 如图 5c 中的 4 个角上 以上 3 种情况 当运行中稍有过电压 且相邻绝缘盒之间 为异相时 这些绝缘薄弱点就可能直接击穿绝缘盒或沿缝隙爬 电造成相间短路 在这 3 台机组大修中 对绝缘盒的彻底检查 和处理效果更证实了这一点 4 3 处理方案 在事故处理和其他 3 台机组端接头绝缘盒的处理中 根据 试验结果 将不合格绝缘盒用木工凿逐一敲打掉 此过程需注 意 1 在敲打绝缘盒前用破布垫好绝缘盒下的线棒 以容易清 理及保护线棒 2 不要损坏线棒绝缘 3 不要损坏线棒接头 当旧绝缘盒敲打掉并清理干净后 有些线棒接头可能变形 此 时应用专用工具对线棒接头进行校正 并进行接触电阻测量 对于个别接头裂开或接触电阻不合格的应重新进行焊接并校正 然后换上新绝缘盒 调正 用绝缘材料补缝 对于绕组下端部 绝缘盒不需此工序 可直接用绝缘盒装上绝缘填料套入线棒下 端部接头 调正并固定好 等绝缘填料稍固化后将固定板取下 即可 但对于绕组上端部绝缘盒则应在绝缘盒套入线棒接头后 先用 2mm 厚的环氧树脂板和环氧树脂与聚酰胺树脂混合做粘合 剂 封好绝缘盒底部大口处与线棒间的大空隙 有些绝缘盒从 中间剖开才能套入线棒接头 此时应用环氧树脂与聚酰胺树脂 混合做粘合剂将合缝粘好 不留缝隙 等环氧树脂与聚酰胺树 脂混合粘剂固化后 把绝缘盒调正 然后用环氧泥将绝缘盒底 部大口处与线棒间的缝隙密封 环氧泥固化后即可进行绝缘填 料灌注 一般分 3 次灌注 第 1 次对每一绝缘盒灌注约 8 10mm 厚 视其不漏并稍许固化后再进行第 2 次和第 3 次灌 注 直至灌满每一绝缘盒 灌注时注意速度不能太快 以使盒 内气泡慢慢排出 环氧泥 绝缘盒内绝缘填料的配方 每次大修处理绝缘盒 前都应多次试验 调好绝缘填料的配方 选出较为理想的 详见 表 1 的参考配方 当绝缘盒内绝缘填料灌注完毕并经过约一天时间固化后 就可进行修补 对于上端部绝缘盒用环氧泥填补满并稍有凸起 用环氧泥填补替代绝缘盒盖子 注意不应留有缝隙 边角稍有 圆弧过渡 对于下端部绝缘盒则用环氧泥填补成过渡圆弧过渡 到线棒根部 处理后的绝缘盒经过 2 3 天 等绝缘填料完全固 化后即可进行