唐博進(jìn)，唐敦浩，葉華松

（1. 中國(guó)長(zhǎng)江三峽工程開發(fā)總公司機(jī)電工程部，湖北 宜昌 443002；2. 中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司三峽水利發(fā)電廠，湖北 宜昌 443002）

三峽右岸電站水輪發(fā)電機(jī)氣隙傳感器故障分析及對(duì)策

唐博進(jìn)1，唐敦浩1，葉華松2

（1. 中國(guó)長(zhǎng)江三峽工程開發(fā)總公司機(jī)電工程部，湖北 宜昌 443002；2. 中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司三峽水利發(fā)電廠，湖北 宜昌 443002）

三峽右岸電站23號(hào)機(jī)在起動(dòng)調(diào)試過(guò)程中，因部分氣隙傳感器燒損脫落導(dǎo)致機(jī)組被迫停機(jī)檢修，拆除了所有同型號(hào)傳感器。本文介紹了調(diào)試過(guò)程中此事故發(fā)生的具體情況和處理方案，并根據(jù)所用傳感器的結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)事故情況分析推斷可能的故障原因——渦流發(fā)熱。最后在此基礎(chǔ)上，提出了解決方案。

水輪發(fā)電機(jī)；氣隙傳感器；渦流發(fā)熱

引言

三峽右岸電站裝機(jī)12臺(tái)，其中4臺(tái)是中國(guó)哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱哈電）生產(chǎn)的700MW巨型空冷水輪發(fā)電機(jī)組（以下簡(jiǎn)稱哈電機(jī)組），分別是23～26號(hào)機(jī)組。其設(shè)計(jì)系根據(jù)三峽左岸電站ALSTOM機(jī)組的成功方案加以改進(jìn)，發(fā)電機(jī)定子840槽，采用每相5分支并聯(lián)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子磁極為40對(duì)極，轉(zhuǎn)子支架及定子機(jī)座采用ALSTOM的斜元件結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)通過(guò)中心體的微小旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償拉伸作用力，使得在熱膨脹和半數(shù)磁極短路時(shí)有較好的應(yīng)力分布。哈電在ALSTOM機(jī)組定子繞組水冷卻方式的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了重大的技術(shù)創(chuàng)新，大膽采用了全空冷的冷卻方式[1]。從右岸各臺(tái)哈電機(jī)組投產(chǎn)的情況來(lái)看，做到了各方面指標(biāo)一臺(tái)比一臺(tái)好，達(dá)到了鐵心各處溫差和線棒各處溫差在 10K以下，而推力瓦溫差在3K以下。哈電機(jī)組的空冷方式經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)證明取得了巨大的成功。

為更好地監(jiān)測(cè)機(jī)組運(yùn)行情況，三峽右岸電站決定在哈電機(jī)組最后一臺(tái)投產(chǎn)的23號(hào)機(jī)上加裝定轉(zhuǎn)子氣隙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。此前在三峽右岸由東方電機(jī)股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱東電）供貨的16號(hào)機(jī)組上也加裝了另一種氣隙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從2008年6月30日此機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行至今，該氣隙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作正常。

三峽右岸23號(hào)機(jī)的氣隙傳感器由薄銅片外包塑料絕緣層組成，其原理是通過(guò)測(cè)量平板電容的值間接測(cè)量氣隙大小。氣隙傳感器安裝在定子鐵心內(nèi)表面，其中平板電容的兩極一端由傳感器的薄銅片組成，另一端由轉(zhuǎn)子磁極組成。于是可從平板電容的電容值C推算出定轉(zhuǎn)子氣隙d：

其中ε0、εr分別是真空介電常數(shù)和電容器中介質(zhì)的介電系數(shù)。在東電供貨的16號(hào)機(jī)組上安裝的氣隙傳感器也基于以上原理。

1 故障情況介紹

2008年8月14日16時(shí)三峽右岸電站23號(hào)機(jī)首次開機(jī)，此后順利完成額定轉(zhuǎn)速空轉(zhuǎn)、發(fā)電機(jī)升流、校核保護(hù)、短路特性測(cè)量、發(fā)電機(jī)單相接地及空載特性試驗(yàn)，于15日0時(shí)完成115%和152%過(guò)速試驗(yàn)。根據(jù)調(diào)試階段的定轉(zhuǎn)子間隙在線檢測(cè)系統(tǒng)的記錄，氣隙傳感器的信號(hào)在實(shí)驗(yàn)中一直保持正常，直至14日23時(shí)06分有兩個(gè)傳感器信號(hào)突然消失。此時(shí)正在進(jìn)行發(fā)電機(jī)空載特性升壓試驗(yàn)，電壓從零第一次上升達(dá)到 90%額定電壓。此后，發(fā)電機(jī)電壓繼續(xù)上升至110%額定電壓，再降為零。隨后進(jìn)行了過(guò)速試驗(yàn)，過(guò)速后的檢修中檢查發(fā)現(xiàn)了氣隙傳感器的碎片，進(jìn)一步的檢查確認(rèn)為兩個(gè)空氣間隙傳感器損壞，其中一個(gè)傳感器還從定子上脫落，被高速運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子打成了碎片。調(diào)試指揮部決定吊出一個(gè)磁極，轉(zhuǎn)子圓度盤車測(cè)量的同時(shí)進(jìn)行其余6個(gè)氣隙傳感器的拆除、清理工作，并進(jìn)行其他檢查和必要的修復(fù)工作。

拆除檢查中發(fā)現(xiàn)，燒損脫落的兩個(gè)傳感器分別位于+Y方向（630槽）、中性點(diǎn)（105槽）處，此二處的定子鐵心及槽楔均有燒灼痕跡，如圖 1所示。而 105槽處的傳感器如圖2所示。

圖1 氣隙傳感器處的鐵心

此傳感器正面相對(duì)完好，但背面燒損嚴(yán)重（參看圖2），尤其是邊緣部分以及和定子通風(fēng)溝對(duì)應(yīng)之處，傳感器外層包裹的塑料絕緣層均已經(jīng)大面積燒毀，露出了裸銅。定子上被傳感器覆蓋部分的槽楔和鐵心疊片處均有燒焦碳化的痕跡，一部分是傳感器外層的塑料熔化物，另一部分則來(lái)自于槽楔的環(huán)氧材料和安裝傳感器時(shí)所用的環(huán)氧膠。

圖2 燒損的氣隙傳感器背面視圖

2 故障原因分析

由于東電生產(chǎn)的16號(hào)機(jī)組也采用了氣隙傳感器，但沒有出現(xiàn)類似的情況，因此首先想到的故障原因是由于哈電機(jī)組采用空氣冷卻方式，而氣隙傳感器安裝時(shí)堵塞了對(duì)應(yīng)的定子通風(fēng)溝，導(dǎo)致散熱不良溫升過(guò)高。此種猜測(cè)隨即被否決，因?yàn)閺谋O(jiān)控系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)中可以看到對(duì)應(yīng)線棒的溫度并沒有大幅度升高。且氣隙傳感器面積較小，遮擋住的通風(fēng)溝較少，線棒發(fā)熱仍然可以通過(guò)周圍的鐵芯傳導(dǎo)發(fā)散，不至于引起塑料層和環(huán)氧槽楔燒損。

從定子鐵心槽楔的燒損情況來(lái)看，發(fā)熱源應(yīng)該是鐵心表面的氣隙傳感器，而不是內(nèi)部線棒和鐵心，否則整個(gè)槽楔都應(yīng)該有燒損而不僅是覆蓋了傳感器的一側(cè)。由于定轉(zhuǎn)子間有很強(qiáng)的交變磁場(chǎng)，并幾乎垂直穿過(guò)傳感器的薄銅片，其上會(huì)感應(yīng)出較強(qiáng)的渦流，這是發(fā)熱的能量來(lái)源。氣隙傳感器因渦流成為發(fā)熱源，這解釋了鐵心槽楔的燒損偏在傳感器一側(cè)的情況。但是這不足以解釋為什么磁場(chǎng)同樣垂直穿過(guò)線棒，但線棒的渦流發(fā)熱沒有導(dǎo)致溫升過(guò)高而燒損。

我們?nèi)∫欢我?guī)則導(dǎo)體為模型，設(shè)其截面積為nS，長(zhǎng)度為l，電阻率為ρ。加電壓U于其上，則電流為：

其中R是這段規(guī)則導(dǎo)體的電阻，E是導(dǎo)體中的電場(chǎng)強(qiáng)度。而這段導(dǎo)體的單位體積發(fā)熱功率為：

其中V是這段導(dǎo)體的體積，σ是導(dǎo)體的電導(dǎo)率，它與電阻率互為倒數(shù)。上述式（3）雖然是通過(guò)規(guī)則導(dǎo)體的電流發(fā)熱推導(dǎo)出來(lái)的，但實(shí)際上也適合不規(guī)則導(dǎo)體和不均勻電場(chǎng)，因?yàn)橹灰〉膶?dǎo)體元足夠小，其內(nèi)的電場(chǎng)就可以看作是均勻的。

渦流發(fā)熱是由于交變的磁場(chǎng)產(chǎn)生交變的電場(chǎng)，從而產(chǎn)生電流導(dǎo)致發(fā)熱。根據(jù)楞次定律，設(shè)導(dǎo)體在與磁力線垂直方向上的截面積為S，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

其中φ是通過(guò)面積S的磁通，而B是對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)SU 在導(dǎo)體中產(chǎn)生電場(chǎng)，它是一個(gè)非保守場(chǎng)，它滿足：

上式中積分號(hào)下的SC 是面積S的周長(zhǎng)路線，此積分是一個(gè)環(huán)路矢量積分。進(jìn)而推出：

其中用到了式（4）。式（6）的物理意義表明?，在交變磁場(chǎng)下，使導(dǎo)體中產(chǎn)生渦流的感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度的平均值取決于兩個(gè)因素，一個(gè)是物理形狀，它由來(lái)表征；另一個(gè)因素是。如果交變磁場(chǎng)是正弦規(guī)律，則：

式（7）表明，感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度與最大磁感應(yīng)強(qiáng)度以及交變頻率成正比，這也符合常理?，F(xiàn)在將式（6）、（7）式代入式（3），導(dǎo)體內(nèi)因渦流的單位體積發(fā)熱為：

其中下標(biāo)sens表示傳感器，下標(biāo)bar表示線棒。

氣隙傳感器是一塊矩形薄銅片，磁力線垂直于銅片穿過(guò)，面積為 Ssens= m n，其中m和n分別是長(zhǎng)和寬，分別是45cm和7cm左右，周長(zhǎng)為 Csens= 2 (m + n )。而哈電機(jī)組的定子線棒是由一組互相絕緣的扁銅條采用328°不完全換位繞制而成。扁銅條寬度大約7mm，沿磁力線方向厚度不到2mm，長(zhǎng)度則貫穿整個(gè)定子線棒，大于3m。若不考慮換位的扭曲影響，將磁力線穿過(guò)線棒的橫截面也近似為矩形，則面積 Sbar= M N，其中M取3m，N取7mm，周長(zhǎng) Cbar= 2 (M + N )。

將 Ssens、 Sbar、 C1和 C2代入式（9），可以得到傳感器與線棒單位體積發(fā)熱量之比：

式（10）只是一個(gè)粗略的近似計(jì)算，但由此可以看出氣隙傳感器單位體積的發(fā)熱量是線棒的數(shù)十倍！這很好地解釋了為什么線棒的渦流發(fā)熱不會(huì)導(dǎo)致溫升過(guò)高而氣隙傳感器卻無(wú)法克服渦流發(fā)熱的問題。

3 故障處理對(duì)策

三峽右岸23號(hào)機(jī)組上采用的氣隙傳感器標(biāo)稱的工作磁感應(yīng)強(qiáng)度為 1.5T，而哈電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的氣隙平均磁感應(yīng)強(qiáng)度為 0.98T左右，似乎應(yīng)該可以承受。但是三峽右岸23號(hào)機(jī)的氣隙傳感器是安裝在鐵心的齒部，相對(duì)于鐵心的槽部，齒部磁感應(yīng)強(qiáng)度較大。根據(jù)哈電的電磁場(chǎng)計(jì)算程序，鐵心齒部的磁感應(yīng)強(qiáng)度局部甚至可以達(dá)到 1.8T。且傳感器損毀發(fā)生在機(jī)組起動(dòng)調(diào)試的空載特性升壓試驗(yàn)階段，定子繞組電壓最高曾達(dá)到額定值的110%，此時(shí)氣隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度比額定值偏大，這也增加了傳感器的渦流發(fā)熱。兩個(gè)因素疊加，對(duì)氣隙傳感器的渦流發(fā)熱承受能力提出了更高的要求。

圖3 空載時(shí)的磁場(chǎng)分布示意圖

可見，通過(guò)開槽能使傳感器發(fā)熱大為減小，此開槽方案幾乎是原有傳感器發(fā)熱量的 1/75，完全可以承受由于局部磁場(chǎng)不均勻以及電樞反應(yīng)所帶來(lái)磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，避免機(jī)組起動(dòng)試驗(yàn)中發(fā)生燒損的情況。以上銅片開槽方案是垂直方向，也可以選擇水平開槽方案，同樣可以有效減少渦流發(fā)熱，此處不再重復(fù)計(jì)算。

三峽右岸東電機(jī)組設(shè)計(jì)的定子齒部磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.52T，氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.91T。16號(hào)機(jī)組上所采用的氣隙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選用了 Vibrosystem公司的氣隙傳感器，標(biāo)稱耐受工作磁感應(yīng)強(qiáng)度是 1.8T，因此有足夠的裕度來(lái)承受機(jī)組起動(dòng)調(diào)試和正常運(yùn)行時(shí)的渦流發(fā)熱。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，定轉(zhuǎn)子氣隙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)逐步在大型水輪發(fā)電機(jī)組上開始采用，此系統(tǒng)能有效地避免因定轉(zhuǎn)子間氣隙變小引起的災(zāi)難性事故。但平板電容式氣隙傳感器的使用經(jīng)驗(yàn)還有待完善。為避免出現(xiàn)此類事故，應(yīng)注意氣隙傳感器的選型。采用開槽的平板電容式傳感器可以有效地抑制渦流發(fā)熱，對(duì)于提高氣隙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性有重要的作用。

[1] 劉平安. 三峽右岸電站840MVA全空冷水輪發(fā)電機(jī)技術(shù)[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2008, (4): 1-5.

Analysis of Gap Sensor’s Fault in Three Gorges Right Bank Power Station 23rdUnit Commissioning and Its Countermeasures

TANG Bo-jin1, TANG Dun-hao1, YE Hua-song2
(1. China Three Gorges Project Corporation Mechanical & Electric Department,Yichang 443002, China; 2. Three Gorges Hydropower Station, Yichang 433002, China)

Due to gap sensors burned and fall off in the 23rdunit startup commissioning, it was compelled to shutdown and maintained, all of the same type gap sensors were removed. This paper described the detail of the event and field solutions. Based on the analysis of the sensor structure and the field condition, the most possible cause was concluded—eddy current heating. On this basis, this paper presented a countermeasure to solve the problem.

turbine generator; gap sensor; eddy current heating

TM312；TM154

A

1000-3983(2010)01-0037-04

2008-10-14

唐博進(jìn)(1982-)，2006年畢業(yè)于清華大學(xué)電機(jī)系，獲工學(xué)碩士學(xué)位，主要從事水電站機(jī)電設(shè)備安裝調(diào)試項(xiàng)目管理工作，工程師。