发电机转子磁极接头过热缺陷的分析及处理

发电机转子磁极接头过热缺陷的分析及处理摘要:磁极间接头过热烧损是发电机转子常见故障,通过常规试验很难在早期发现这一隐蔽式缺陷,预防性试验接触电阻检验合格不等于接触可靠。

索风营发电厂利用机组大修对转子磁极引线接头全部拆开检查并进行镀银改造。

通过改造提高了接头载流稳定性,同时也减少了机组激磁损耗和机组转子磁极间接头接触电阻数值的分散性,提高了机组的安全稳定性。

摘自创业家资料库{h#K/R5ye$A&b 关键词:水轮发电机组转子磁极间接头导电接触面过热改造1 设备技术参数索风营发电厂3台200 MW水轮发电机组,哈尔滨电机厂有限责任公司制造,发电机型号:F200-52/13600,额定容量:200 MVA,定子额定电流:8379 A,定子额定电压:15.75 kV,转子额定电流1743.7 A,转子额定电压385.5 V,发电机绝缘等级:F级。

机组投产时间及运行状况。

首台机(一号机组)2005年8月28日投产发电,同年年底二号机、次年6月三号机投产发电。

索风营三台机组投产后,试验和运行数据显示,三台机组在10～130 MW之间均振摆较大,这一区域被定为机组振动区,机组在130 MW及以上运行。

2 磁极结构简介索风营发电机转子共计52个磁极,每个磁极线圈26匝,匝间垫间苯酚上胶玻璃胚布热压成整体,线圈铜排截面积80×8 mm2=640 mm2,极间连接转配采用“U”铜排,连接如下图所示,接头可视接触面80×60 mm2=4800 mm2,两个接头分别用2颗M12-8螺栓紧固连接。

励磁引线采用90×9铜母线,励磁引线和磁极抽头引线得接头接触面采用搪锡工艺,“U”铜排亦采用搪锡工艺(实际未作表面处理,裸铜排)。

(见图1)3 机组检修发现的问题3.1 机组大修时间2008年3月7日至5月6日,一号机组大修;2008年12月1日至09年1月24日,二号机组大修;2009年3月3日至4月22日,三号机组大修;2010年10月15日,一号机组第二次大修(主要是处理水轮机导叶轴套漏水问题)。

3.2 检修发现的问题2008年1号机组大修发现:4号和5号磁极间、32号和33号磁极间连接接头绝缘发黑碳化,“U”型连接铜排表面严重氧化且坑凹不平,过热烧损严重,其中4号磁极引线导电接触面最大的凹处直径10 mm、深2 mm以上。

这次检修打磨烧损接头后涂抹导电膏,未作搪锡或镀银处理。

2008年至2009年2号机组大修发现:连接52号磁极的励磁引线穿过转子支架上端面处放电,铜排引线已烧损一贯穿性小洞,支架烧损宽20 mm,深10 mm。

2009年3号机组大修发现:27号和28号磁极间、39号和40号磁极间连接接头绝缘发黑碳化,“U”型连接铜排表面严重氧化且坑凹不平,过热烧损严重。

处理方式和08年1号机组大修相同。

2010年1号机组大修发现:新增42号和43号磁极间上述过热严重烧损点,处理过的4号和5号磁极间、32号和33号磁极间连接接头虽未进一步烧损,打开绝缘发现接触面涂抹的导电膏已干燥板结,导电接触面氧化发黑。

(见图2)4.3 历次检修试验数据(附表1)历次检修时测量的转子绕组绝缘电阻、整体直流电阻、单个磁极与磁极连接的直流电阻见表1。

历次检修试验数据看出,整体直流电阻为毫欧级,149～151 mΩ之间,单个磁极连接,二号机9～20μΩ不等,三号机9～15μΩ不等,一号机搪锡和镀银处理后的单个磁极连接4～5.9μΩ不等,但整体直流电阻仍为毫欧级,149.7 mΩ。

新增的42-43连接67μΩ,烧损最严重的三号机39-40接头也不过194μΩ,微欧级,对整体数值没有影响。

通过这些数据分析,即便单个磁极连接出现过热缺陷,其之变化也局限在微欧级,由于直阻测试仪测试误差,转子绕组常规的整体直流电阻试验是无法发现单个磁极间连接的早期接触性缺陷的。

另外未作接头处理的二号、三号机组,单个磁极连接在微欧级别直阻差距较大,9～20μΩ之间,搪锡和镀银处理后的一号机的单个磁极连接4～5.9μΩ之间,单个磁极连接的直阻分散性大为降低。

5 金属导电体导电通流的物理特性5.1 电力常用金属导体的物理参数常态下(由表可知)导电性能最好的依次是银、铜、铝,这三种材料是最常用的,常被用来作为导线等,其中铜用的最为广,铝线化学性质不稳定容易氧化,但由于铝密度小,取材广泛,且价格比铜便宜,目前被广泛用于电力系统中传输电力的架空输电线路;其中银是惰性金属,很难被空气氧化,但价格昂贵;常温下,锡也不会与水和氧气反应,但熔点较低。

导电母线主要采用的铜材和铝材就是在较清洁的大气中也极易氧化，其表面会生成氧化膜。

在大气中铜只要2～3 min，铝仅需2～3 s，其表面便可形成厚度约2 um的氧化膜层。

铝的氧化膜是三氧化二铝，其电阻率比纯铝的要大19个数量级，而且非常牢固；铜的氧化膜是氧化铜及氧化亚铜，其电阻率比纯铜的大16个数量级（1016）以上，而且要在其熔点左右的温度下才能分解；这些氧化膜基本上都不导电。

接触面上这类氧化膜只有借机械方式局部破除它，但破除后，若接触面不能随之得到保护，被破除氧化膜的部分随即又会重新生成氧化膜。

5.2 导电接触面在显微镜下观察导电接触件的表面,尽管十分光滑平整,则仍能观察到5～10 um的凸起部分。

接触面的接触,并不整个接触面的接触,而是散布在接触面上一些点的接触。

实际接触面必然小于理论接触面。

根据表面光滑程度及接触压力大小,两者差距有的可达几千倍。

实际接触面可分为两部分:一是真正金属与金属直接接触部分。

即金属间无过渡电阻的接触微点,亦称接触斑点,它是由接触压力或热作用破坏界面膜后形成的,约占可视接触面积的5%～10%;二是通过接触界面污染薄膜后相互接触的部分,如果进行了表面处理,如搪锡或镀银,就不会形成不导电的氧化膜,这部分接触面的金属粉末间的距离很小,与电子的固有波长相近,能形成隧道效应通道,大面积的隧道效应导电通道的作用也是很可观的。

5.3 未作表面抗氧化处理的螺栓型设备接头接触不良的发展过程不同金属的膨胀效应不同。

钢制螺栓的金属膨胀系数要比铜质、铝质母线小得多,尤其是螺栓型设备接头,在运行中随着负荷电流及温度的变化,其铝或铜与铁的膨胀和收缩程度将有差异而产生蠕变,也就是金属在应力的作用下缓慢的塑性变形,蠕变的过程还与接头处的温度有很大的关系。

实践证明,当接头处的运行工作温度超过80 ℃时,接头金属将因过热而膨胀,使接触表面位置错开,形成微小空隙而氧化。

当负荷电流减小温度降低回到原来接触位置时,由于接触面氧化膜的覆盖,不可能是原安装时金属间的直接接触。

每次温度变化的循环所增加的接触电阻,将会使下一次循环的热量增加,所增加的温度又使接头的工作状况进一步变坏,因而形成恶性循环。

综上所述,真正导电接触面由作用在接触件的正压力形成的金属间无过渡电阻的纯金属接触微点和借助隧道效应导电金属接触区的部分组成。

保证接触面的机械正压力即连接螺栓的紧固及改善接触面表面状态,是提高接头通流性能降低损耗控制温升保持接通热稳定的的关键。

6 磁极间接头烧损的原因分析及处理6.1 原因分析索风营个别磁极间接头烧损,最主要的原因是在安装阶段螺栓紧固不够,没有足够的机械正压力形成金属间无过渡电阻的纯金属接触微点造成的。

线圈铜排截面积80×8 mm2=640 mm2,其热稳定载流量5×640＝3200(A),磁极间接头的可视接触面80×60＝4800 mm2,如果通过“U”连接装配的2颗M12-8螺栓紧固形成10%的亦即480 mm2纯金属接触微点,其热稳定安全载流量也有5×480＝2400(A),发电机最大励磁电流1743.7 A,完全可以满足要求。

观察烧损的接头有很多凹处,这是由于接触不良,两个接触件之间形成若干细微的电弧放电,电腐蚀现象严重,铜的熔点1083 ℃,有些凹点直径十多毫米,深达几毫米,可见接头的局部温度已经很高,能量损耗很大,任由进一步发展后果不堪设想。

6.2 处理办法(1)所有磁极间“U”连接装配全部拨开绝缘重新装配,三级监督,严格保证所有连接紧固螺栓的紧固力达到设计要求。

(2)烧损磁极引线的接头,其表面氧化发黑,且坑洼不平,用细锉打磨,力求平整光滑后,电镀搪锡。

没有烧损的磁极引线的接头仔细去除凸点,用酒精清洁干净。

(3)所有“U”铜排采用惰性金属保护工艺电镀镀银处理。

镀银处理后可以有效降低低接触面氧化而形成不导电面积,增加导电接触面。

通过实测,单个极间接头未镀银处理前直流电阻在8～10μΩ之间,镀银处理后单个极间接头未镀银处理前直流电阻在4～5μΩ之间,进一步增加导电接触面的通流稳定性。

7 结语(1)电站机组安装阶段,因工期等因素,个别磁极接头螺栓紧固力没有达到设计要求,造成电气回路接头接触性缺陷,这类缺陷和绝缘类缺陷相比较,具有隐蔽性强,发展需要一个过程等特点,常规的电气预防性试验很难发现,且危害极大,发展下去可能造成重大设备的绝缘损坏,严重的导致金属导体熔断、拉弧,产生巨大能量,烧毁设备。

预防性试验接触电阻检验合格不等于接触可靠,利用机组首次检修对大电流接头进行全面检查是很有必要的。

(2)接头的导电接触面的接触电阻主要受接触件材料、正压力、表面状态、使用电压和电流等因素影响。

传统的导电膏一般只在温度+40 ℃以下及工作电压较高的的情况使用,发电机定子线棒实测温度60 ℃以上(转子测不到),转子电压不过400 V,分散到每一个接头就更低,也不适用。

因此,导电接触面应进行搪锡、镀银等保护措施,有效防止磨损和氧化,改善表面状态,降低接触电阻,提高导电接触面的通流性能,减少损耗,保证接头的长期热稳定性。

(3)接触性缺陷发展缓慢,一般设备投产一、两年后才逐渐暴露出来。

监视接头温升是发现接头早期缺陷的有效办法之一,这一办法只适用于变压器、封闭母线、发电机定子绕组出线、开关、刀闸等固定的接头,不适用于旋转运行中的发电机转子。

索风营发电厂利用历次检修对发电机出口直至出线站的电气设备接头进行了全面检查(GIS 内部除外),有力保证了设备的稳定运行。