1050MW发电机定子绝缘值降低的原因分析及处理方法

摘要

神华福能发电有限责任公司的研究人员郭建仙，在2019年第7期《电气技术》杂志上撰文指出，某电厂1050MW机组发电机定子冷却水汇流管为直接接地结构，在机组开机起动过程中，屡次出现发电机定子绝缘＜0.1M，无法满足发电机厂家要求，影响机组起动并网，本文以国产1050MW发电机组为例，通过研究分析发电机组定子绝缘低原因，揭示影响绝缘值因素，并提出控制处置方案，有效解决问题。

发电机具有良好的绝缘电阻是安全运行的关键，温度是影响设备绝缘的重要因素之一，发电机的定子和转子在3000r/min转速下带载运行会产生大量的热量，而国内大型发电机大多采用水-氢-氢冷却方式，即定子绕组水内冷，转子绕组氢内冷，定子铁心氢冷的方式。

对于定子冷却水（以下简称定冷水）汇流管直接接地型发电机，因发电机检修后或停机时间较长时，在通水后测量定子绕组绝缘电阻存在一定困难，本文就神福鸿电QFSN-1050-2- 27型汽轮发电机组定子绝缘问题进行分析和处理。

1 发电机定子绝缘低的原因分析

某电厂1050MW机组使用的是东方电机股份有限责任公司生产的QFSN-1050-2-27型汽轮发电机组，额定电压27kV，定子绕组由嵌入铁心槽内的绝缘条形线棒组成，绕组端部为篮式结构，并且有连接线连接成规定的相带组。绕组绝缘采用少胶VPI绝缘，绝缘等级F级。

定子线棒由绝缘空心股线和实心股线混合编织换位组合而成（如图1所示），定子线棒通过空心股线中的水介质来冷却，冷却水从励端的汇流管和绝缘引水管并通过线棒端头的水接头进入线圈，冷却线圈后经过汽端绝缘引水管和汇流管排入外部水系统。

从发电机绝缘电阻测量及定子绝缘结构（如图2所示）方面来讲，被试发电机的定子出水汇流管直接接地，给通水后测量定子绕组绝缘电阻带来困难，国内测量水冷绕组的绝缘电阻一般采用专用水摇表测量，但该摇表仅仅适用于定子水路不直接接地系统，而定子水汇流管直接接地系统用普通摇表测量，绝缘电阻受定冷水水质影响较大。

结合发电机绝缘电阻测量方法及定子绝缘进行分析认定绝缘情况会受到定冷水水质、氢气露点、环境温湿度以及发变组所属设备的影响。

图1 发电机线棒结构图

图2 发电机绝缘测量示意图

1.1 发电机定冷水水质对定子绝缘的影响

1050MW发电机组自投产后发现在定冷水系统通水条件下测量定子绝缘值不满足起动要求，当定冷水pH值超过7～9范围或电导率＞0.75μS/cm，绝缘值＜0.1MΩ时（根据东方电机股份有限公司说明书要求，1050MW机组发电机定子绝缘值在通定冷水后测量，其绝缘值不小于0.1MΩ），绝缘不合格，发电机定子绝缘值测试结果见表1。

表1 发电机定子绝缘值测试结果

1）定冷水电导率对定子绝缘的影响分析

定冷水电导率对铜导线的腐蚀有一定影响，从图3看出，电导率为1S/cm时腐蚀速度趋于平稳，电导率升高或降低都会影响铜导线腐蚀速度，水中导电离子含量越多，溶液体系的电阻越小，阴阳极电极反应的阻力就越小，铜的腐蚀就会加快。

电导率对定冷水系统的影响主要表现在电流泄漏损失，因为电导率高，水的绝缘性变差，定冷水系统的外管道和设备外壳是接地的，电导率造成电流损失。电导率越大，定子电压越高，发电机运行损耗越大。

图3 水电导率与铜腐蚀速度关系曲线

2）定冷水pH值对定子绝缘的影响分析

从电位—pH值平衡图分析（如图4所示），25℃时铜稳定的pH值区间在7～10之间，这一区间内铜表面生成致密完整的氧化铜保护膜，阻止了铜基体的进一步腐蚀。对于内冷水系统pH值按GB/T 12145—2016标准一般控制在7.0～9.0之间，pH值在铜的腐蚀中起重要的作用。

由图4可知，当pH值低于6.8时，水质呈弱酸性，此时铜处于腐蚀区，表面很难形成稳定的保护膜，铜的腐蚀急剧增加。铜腐蚀会引起内冷水中铜离子增加，从而导致发电机泄漏电流的增加，发电机绝缘降低。

1.2 发电机内氢气露点对发电机定子绝缘的影响

定子线棒对地的绝缘与制造质量以及机内氢气的露点有关，氢气露点高导致发电机内受潮凝露，直接影响发电机定子绝缘测量值。

图4 pH与铜腐蚀速度关系曲线

1.3 发变组所属设备对发电机定子绝缘的影响

发电机定子回路绝缘测量包括发电机出口封闭母线，主变低压侧绕组、励磁变高压侧、高厂变高压侧共箱母线以及发电机出口电压互感器和避雷器等连接设备（如图5所示），发电机定子回路绝缘测量受所连接设备绝缘影响大，尤其是电厂地处海边，环境湿度大，励磁变绕组、发电机出口封闭母线以及高厂变高压侧共箱母线容易受潮，直接影响发电机定子回路绝缘测量值。

图5 发变组一次回路图

2 发电机定子绝缘低预防及处理方法

1）提升定冷水水质品质，控制定冷水电导＜0.75μS/cm，pH值在8.0～8.9之间。

（1）在机组起动前，发电机定冷水系统进行反冲洗，通过改变水流方向，对定子线棒进行反冲洗，将发电机线棒内积存的杂质和污垢冲洗掉，确保定冷水水质合格。逐步投入定冷水加热器，将定冷水温提升至50℃进行定冷水系统反洗，反洗时间4h，可以驱赶机内线棒间的潮气，避免发电机定子回路绝缘因受潮不合格。

（2）采用定期直接加氢氧化钠（NaOH）的方法来提高pH值，效果不明显，由于加入的NaOH的量难于掌握，同时加入的药难以混合均匀，会加速定子线棒的铜腐蚀。根据机组现有条件将定子水补水由除盐水补水改为凝结水（精处理混床出口母管（加药前）和8号低加入口（加药后））水源进行补水，既可保证补水水质，又能调节水中pH值，使定冷水pH值控制在8.0～8.9之间，避免发生铜腐蚀现象（如图6所示）。

图6 定冷水系统改造图

（3）采用微碱离子交换树脂处理定冷水，使用钠型阳树脂、氢型阳树脂以及氢氧型阴树脂按照1:2:1比例进行填装[10]，使定冷水含有微量NaOH，提高pH值，在发电机定子测绝缘前，投入定冷水系统离子交换器，使30%定冷水旁路处理调节定冷水水质，有效改善定冷水水质，控制定冷水电导率在0.75μS/cm以下，减少定冷水中铜离子含量，保证发电机定子回路绝缘测量不受水质影响。

2）控制发电机内氢气品质合格

在发变组绝缘测量前，进行发电机氢气置换，发电机机内氢气压力控制在0.45MPa，氢气纯度≥98%，开起发电机氢气系统循环风机，投入氢气干燥装置，发电机内部氢气露点控制在 25℃，以使发电机内氢气进行巡回干燥，从而得到干燥发电机内部铁心的目的。

3）合理的操作和调整，提高发变组所属设备绝缘

（1）发电机停运后，应立即停运氢气冷却器，关闭氢气冷却器进出口手动门，避免发电机定子铁心、转子绕组绝缘受潮凝露。

（2）发变组停运后，发电机封闭母线无检修工作时，应保持封闭母线微正压装置运行，压力控制在0.3～1.5kPa之间，以干燥发电机出口封闭母线，并加强检查封闭母线密封情况，发现漏气及时联系修复。

（3）发变组停运后，高厂变高压侧共箱母线无检修工作采用热风循环装置自动干燥运行，控制温度35℃，湿度≤50%。

（4）在机组起动前用仪用压缩空气对离相封闭母线软连接引线以及支持瓷瓶等进行吹扫，确保干净干燥。

（5）在机组起动前，尽早起动汽轮发电机盘车装置，加快空气流通，把潮湿的空气置换出来。

（6）在机组起动前，提前开起励磁变冷却风扇，利用空气对流把励磁变绕组内潮湿的空气置换掉，必要时可用仪用压缩空气吹扫。

（7）根据环境湿度和发电机定子绝缘测量值情况，可在发电机中性点接地变、励磁变以及发电机出口封闭母线入孔处加装烘灯，暖风机或除湿器等，利用热空气除湿，提高发变组所属设备绝缘。

结论

发电机为电厂三大主机之一，其重要性不言而喻，发电机起动时定子绝缘值低，需根据检修制造工艺、定冷水水质、环境温度、氢气露点以及发变组所属设备受潮情况进行分析和排查解决，要充分开展发电机绝缘监督工作，建立发电机绝缘测量台账，掌握发电机绝缘变化和裂化趋势，分析绝缘降低原因，及时采取措施并加以消除，保证发电机稳定、安全运行。