国产双水内冷机组电腐蚀与线圈漏水原因分析

　　文　摘　神头发电厂1号机组系国产双水内冷型机组，於1992年3月10日和4月20日两次出现定子线圈端部漏水，通过漏水、电晕与电腐蚀等异常情况的分析，找到了相应的对策，确保了机组的安全运行。

　　神头发电厂一期安装了2台北京重型电机厂生产的、75 MW的双水内冷发电机，型号为SQF-75-2，分别於1977年2月和12月投产。曾多次出现定子线棒端部漏水现象，威胁发电机的安全运行，通过对双水内冷机组常见的漏水、电晕与电腐蚀异常现象的分析提出了对策，确保了机组的安全运行。

1　定子线圈电晕及电腐蚀原因分析

　　电晕和电腐蚀是造成发电机定子线圈绝缘损坏的主要原因之一。工作电压在6 kV以上的电机有可能出现电晕，电晕在空气中出现时要产生臭氧及氮氧化合物，当水蒸汽与上述氧化物结合后形成对绝缘物具有腐蚀作用的酸类物质。一般在固体绝缘材料和槽壁间的狭窄气隙以及具有较大电场强度的绕组出槽部分和通风槽等地点最容易出现电晕。
　　电腐蚀有两种情况：一种是发生于定子线棒防电晕层和槽壁之间，称为外腐蚀；另一种是发生于防电晕层和主绝缘之间(一般须剥去防电晕层后才能看到)，称为内腐蚀。从调查资料得知，发电机定子线的棒外腐蚀的基本原因是由于线棒和槽壁之间存在着间隙。线棒和槽壁之间出现间隙的原因有以下几个方面：作为线棒主绝缘的环氧树脂粉云母绝缘材料是热固性的，不象热塑性沥青片云母绝缘材料，在运行温度下能受热膨胀而填补线棒和槽壁之间的空隙。它在运行温度下几乎不受热膨胀，不能填补槽内空隙。由于线棒防电晕层与槽壁之间失去电接触，使两者之间的电位差加大。当间隙的电场强度超过某一数值时，将在防电晕层和槽壁之间产生高能量的电容性放电。这种放电所产生的加速电子对定子线棒表面产生热的和机械的作用。有时生产厂家制造时定子线棒尺寸偏小，槽楔打得不紧，铁心叠片不齐，以及垫条材料使用不当等原因，致使线棒和槽楔、槽壁之间接触不良或出现间隙。此外，放电使空气电离而产生臭氧和氮氧化物与气隙内水蒸汽作用，引起线棒表面防电晕层、主绝缘、槽楔、垫条的烧损和腐蚀，形成新的间隙。线棒主绝缘和防电晕层之间出现内腐蚀的主要原因是由于线棒主绝缘和防电晕层之间存在着局部间隙。出现间隙的原因主要是因为所使用的防电晕半导体漆渗透性差、附着力不强，造成漆膜粘附不牢，使主绝缘和防电晕层之间开脱。其次是线棒在进行防电晕处理前主绝缘表面未清除干净(例如主绝缘表面残留的硅橡胶脱模剂、未剥掉的聚酯薄膜等)，使主绝缘和防电晕层之间形成间隙，此外主绝缘表面不平整，有凹坑，特别是当主绝缘表面贴补时，在贴补边缘也往往形成气隙造成内腐蚀。内腐蚀和外腐蚀一样与线棒所处的电位有密切关系，运行经验证明，处于电位较高的线棒发生内腐蚀的几率较大，而处于低电位的线棒其发生内腐蚀的几率较小。
　　考虑到线棒在槽内总有气隙，且线棒与槽壁之间接触面积小，可以作出图1所示的等值电路。
 

图1　线棒在槽内的等值电路
C1——主绝缘电容；C2——气隙电容；U——线棒上
施加的电压；R——主绝缘表面与槽壁的接触电阻

　　由图1可得到：

 

　　由上式可见，气隙中所承受的电压U2和线棒尺寸、主绝缘材料及材料的厚度有关。现地采用的环氧粉云母带相比较，当绝缘厚度线棒尺寸相同时，前者的介电常数较大，因此环氧粉云母带绝缘线棒的电容量C1较沥青云母带绝缘线棒的电容量约大25％左右。因此在外加电压U及线棒表面与槽壁间尺寸相同时，环氧粉云母带线棒较沥青云母带线棒容易产生放电。当线棒尺寸、主绝缘材料 及材料厚度一定时，即C1为常数，气隙上所承受的电压U2和加在线棒上的电压U有关，U越高，则U2也高。但加在线棒上的电压U又和相组额定电压越高，或线棒在运行中所处的电位越高，则气隙上所承受的电压U2也越高，越容易产生放电。调查资料也表明，处于较商电位的线棒比处于较低电位的线棒发生电腐蚀的几率高许多倍。
　　气隙上承受的电压U2还和C2及主绝缘表面与槽壁接触电阻有关。由于电机在运行中线棒受到双倍系统频率(100Hz)压向槽底的力，以及机组本身的机械振动作用，使电晕层和槽壁间产生相对位移，因而接触电阻增大，气隙上所承受的电压U2就增加，于是就越容易放电。线棒防电晕层和槽壁间的相对位移还使得在防电晕层与槽壁脱离接触的瞬间在气隙上形成很高的电场，导致间隙放电。
　　此类故障在双水内冷机组和检修工艺不良的机组上曾时有发生，应引起足够的重视。

2　定子常见泄漏地点及原因分析

　　(1) 绝缘引水管破裂漏水。由於绝缘引水管有时相间交替重叠，在长期运行后，因机械磨损或引水管表面爬电，使绝缘引水管表面开裂。在高电压和冷却水压的作用下爆破而大量漏水。
　　(2) 接头焊缝处漏水。空心导线与接头间的焊缝、空心导线与U形管并头套之间的焊缝、紫铜和不锈钢接头焊缝，以及总进出水管与不锈钢接头焊缝，若个别焊缝存在未焊透缺欠，在长期运行后，由于长期的振动，焊缝开裂，造成漏水。这两次漏水均属这一原因。
　　(3) 定子端部冷却元件铜管破裂而漏水。
　　(4) 空心导线由于长期受冷热温差的影响，造成裂缝而漏水。
　　(5) 由于设计、安装质量存在隐患而造成运行中漏水。

3　防止电晕和电腐蚀的技术措施

　　为了防止在定子线棒绝缘和槽壁间的狭窄气隙中产生电晕，可在线棒直线部分的主绝缘表面用0.6～25 mm或0.4～25 mm的石棉带平绕一层，也可用0.6 mm或0.4 mm的玻璃丝平绕一层，然后涂长度表面电阻值为(1～100) kΩ／cm的低电阻半导体漆，两端延伸到槽口外70～130 mm。延伸的长度宜根据发电机定子的电压等级来决定。在涂刷半导体漆时，必须涂透；同时，可在槽内表面喷低电阻环氧半导体漆；在槽底、层间、槽楔下均用半导体垫条；下线时根据线棒与槽配合的松紧程度，在线棒外圈包不同层数的低电阻半导体破璃布等。这样就使绝缘表面与铁心间有均匀的半导体接触，使其获得与槽壁相近的电位，或使它与铁心间的电位差减小，改善防电晕条件。发电机有采用电阻分压法和电容分压法相结合的防电晕措施，也有采用非线性碳化硅半导体漆的防电晕措施。从生产现场运行经验得知，采用非线性碳化硅半导体漆的措施比较好。因其工艺简单、检修方便、运行效果良好。
　　调查资料表明，氢冷发电机电腐蚀现象较少，而水冷机组电腐蚀现象比较严重。究其原因，可以认为氢冷机组密封较好，定子内部所含水蒸汽、氧气较少，因此减轻了由于放电产生的臭氧、氮氧化物和水蒸汽的化学作用而引起腐蚀的可能性。水冷机组因其线负荷大，运行中线棒所受电磁力较大，运行中上下振动造成线棒和硅钢片磨损，破坏了防电晕层，使线棒和槽壁之间所承受的电压升高，容易造成电腐蚀。另外，有些处于低电位的线棒也有不同程度的电腐蚀。但是，多数低电位线棒是与高电位线棒同槽且高电位线棒有较严重的电腐蚀。因此，可以认为，低电位线棒表面损坏的原因除由于磨损外，更重要的是由于受到同槽高电位线棒电腐蚀的影响而造成的。从六十年代开始，我国应用环氧粉云母代替过去的沥青片云母作为高压大容量发电机定子线棒主绝缘材料。运行经验证明，环氧粉云母片绝缘材料比沥青片云母绝缘具有抗电强度高、绝缘厚度薄，耐热、耐油等优点。但也暴露出来一些问题，较为严重的是定子线棒绝缘的电腐蚀。调查材料指出，有的机组定子线棒绝缘的腐蚀量占电机总线棒根数的70%左右，腐蚀深度可达到2～3 mm。
　　根据腐蚀程度，外腐蚀有下列征象：(1) 轻微外腐蚀，线棒防电晕层由原来的黑灰色局部或全部变成深褐色；(2)较严重外腐蚀，线棒防电晕层呈灰白色并有不同程度的蚕食现象，局部酥化，部分主绝缘外露；(3)严重外腐蚀，线棒防电晕层大部分或全部变酥，甚至全部脱落，主绝缘外露且被烧灼成麻点或麻坑。此外，槽楔与线棒间垫条及槽底垫条也都有不同程度的腐蚀，有的被烧灼成蜂窝状，甚至完全烧光。内腐蚀在剥去防电晕层后能看到下列征象：(1)轻微内腐蚀，线棒防电晕层内表面和主绝缘外表面略有小白点；(2)较严重内腐蚀，线棒防电晕层内表面和主绝缘外表面呈黄白色；(3)严重内腐蚀，线棒防电晕层内表面和主绝缘外表面大面积变白，并有许多白色粉末。
　　运行中的线棒由于受到每秒钟交变100次的径向电磁力的作用而发生振动，引起线棒防电晕层逐渐磨损，致使线棒表面和槽壁间失去电接触，加剧了电腐蚀。上层线棒和下层线棒同槽且同相时，上层线棒所受的径向电磁力是下层线棒的3倍左右，因而上层线棒表面防电晕层更容易被磨损，从而使上层线棒发生电腐蚀的几率增多。

4　神头电厂双水内冷机组漏水处理原则

　　(1) 如果定、转子导线有明显危及安全运行的漏水现象，应紧急停机，以免发生设备损坏事故。
　　(2) 如只出现滴水或渗水现象，则允许适当降低进水压力，相应降低机组负荷并加强监护，与上级调度部门联系，尽早安排停机检修。
　　(3) 如果查明机壳内的水是由于轻微的结露所引起的，则应提高发电机的进水温度，使其高于机壳内空气的露点。为了清除结露现象，对于出现结露的部分应做好记录，以便在检修时将易结露的部分加强绝缘。

5　值班人员维护双水内冷机组重点工作

　　(1) 要随时掌握冷却水水质情况，水质必须符合标准(硬度小于10 μg／L，电导率小于5μS／cm，pH为7～8)。如果水质不合格，要进行必要的排污并补充质量合格的除盐水，直到水质合格(良好)。
　　(2) 运行人员应监视进水温度，入口水温一般不超过40℃，当发电机进水温度超过50℃时，首先应对冷却器采取措施，提高其冷却效率。如果仍不能达到要求，且发电机的定子、转子线圈的出水温度及定子线圈温度也已超出允许值时，则应降低发电机出力，防止发电机超温损坏。
　　(3) 当定子导线间的测温元件温度指示异常时，运行人员在确认测温元件无误后，必须调整冷却水系统的压力、流量，例如调节进水阀门，改变进水流量，降低进水温度。必要时，降低机组出力甚至停机，进一步查明线圈的冷却水管路是否局部堵塞。
　　(4) 运行人员还应及时调节发电机冷却水的流速。根据流体力学原理，水的流速太低，会产生层流，减弱传热效果。水的流速在0.5～2 m／s为好。
　　(5) 发电机在运行过程中，值班人员不但应检查窥视孔内情况，还应定期察看发电机下部出线小间内是否有集水情况。如发现水迹，但不能确定是漏水时，应加强监视。若漏水情况已确定，但并不严重，电网负荷紧张而不允许立即停机时，可适当降低进水压力直至发电机允许的最低进水压力，并按照出水温度相应地减少机组负荷。如此时漏水现象消除，则仍可作短期运行，待系统允许时，再停机检查。若降低水压及减少负荷后，漏水现象仍未消除，则应立即停机，进行处理。
　　(6) 当漏水检漏计发信号时，首先应检查检漏计电极是否有污染；其后应仔细检查发电机端部绕组、水管、接头等部位，一旦发现缺陷，则应立即停机处理。
　　(7) 发电机运行过程中，应检查转子进水密封装置是否正常工作。