汽轮发电机汇水管典型故障分析及对策

(中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300)

大型汽轮发电机定子绕组通常采用水内冷却方式。运行期间，定子冷却水从发电机励端汇水管顶部进水总管注入，流经定子绕组的空心导线后，由汽端汇水管顶部出水总管流出，完成发电机定子绕组冷却循环。同时，为满足定子绕组排水及排污需求，汽励两端汇水管底部还分别设有排污管。汇水管固定在发电机定子机座端部，通常安装有6个或8个固定支架，如图1所示。

图1 汽轮发电机汇水管结构Fig.1 Structure of the water manifold in the turbine generator

发电机汇水管与支架、进出水总管及排污管之间用绝缘板及环氧酚醛绝缘套管实现汇水管与机座绝缘。运行期间，汇水管处于发电机端部的漏磁场及机械振动环境，会受到复杂的电动力及振动应力作用。汇水管在产生感应电势的同时，还存在持续性的机械振动。因此，确保运行中的发电机汇水管经专用接地线一点接地，并控制其振动水平在合理范围，就显得尤为重要。

近年来，因制造、安装及运维等原因，已发生多起汇水管绝缘不良、金属性接地、汇水管接地线断裂及汇水管波纹补偿器破裂等故障。这些故障均不同程度对机组的安全稳定运行及企业经济效益造成了影响。因此，分析总结汇水管故障类型及成因，并制定相应的防治措施，对确保发电机的安全运行具有重要意义。

1 汇水管典型故障

目前，已经发生的汇水管故障，基本可归纳为电气故障及非电气故障。电气故障可分为低阻接地、金属性接地、多点接地及接地线断裂等类型；非电气故障则主要指汇水管异常振动引起的结构破裂、松动及磨蚀等现象。从故障发展过程来看，机械振动又往往导致汇水管绝缘损坏，引起接地等电气故障。

1.1 低阻接地

汇水管的绝缘电阻是指汽端汇水管、励端汇水管及出线盒小汇水管绝缘电阻的并联电阻总和。发电机在进行定子绕组绝缘测试时，某些制造厂明确规定汇水管绝缘电阻应不低于30 kΩ。当汇水管绝缘电阻明显偏低时，应引起重视并查明原因。通常造成汇水管绝缘电阻低的原因主要包括汇水管支架的绝缘垫脏污或破损，与外部进出水管连接的绝缘法兰、绝缘套管脏污及受潮，以及连接螺栓的绝缘套管破损[1-3]。

针对汇水管绝缘低问题，可对汽、励两端汇水管及出线盒小汇水管分别实施绝缘测量，逐次排查直至查明原因。该类缺陷的排查，一般需要拆除汇水管与外部水管的连接法兰，通过更换绝缘垫或绝缘套管进行解决。

1.2 金属性接地

汇水管金属性接地，是指汇水管对地绝缘为零，其主要成因包括：1)汇水管各法兰绝缘垫或连接螺栓绝缘套管缺失，导致汇水管与机座直接接触。这类故障多发生在新机组安装调试期间，应严格控制安装工艺[4-6];2)汇水管各绝缘法兰因金属异物搭接短路。这类缺陷如发生在水管内壁，排查难度较大，排查时需要拆开法兰;3)汇水管相关法兰及支架连接螺栓的绝缘套管破裂，导致连接螺栓将汇水管接地。如某发电机汇水管固定支架与机座固定螺栓孔出现偏差错位，导致连接螺栓绝缘套管受剪切应力破裂，引起汇水管金属性接地，如图2所示;4)测温元件或屏蔽网异常接地造成汇水管接地。

图2 汇水管支架与机座连接螺孔错位Fig.2 Dislocation of the connecting bolt holes between the holder of the water manifold and frame

汇水管金属性接地故障比较隐蔽，特别是测温元件绝缘缺陷引起的接地故障，排查困难。为准确定位接地点，可采用对汇水管加压通流的方法。

如某发电机发生汇水管金属性接地故障后，利用单相调压器和行灯变压器组成检测装置，对汇水管通入约2 A的电流，用高精度环形CT依次套入汇水管的支架，测量流过支架的电流，发现有一支架流过接近2 A的电流，其他支架无电流，成功定位接地点。

1.3 多点接地

发电机运行期间，汇水管因绝缘缺陷或异物搭接，会造成汇水管多点接地，并在接地线上产生30 A以上的环流，甚至烧断接地线[7]。如某发电机汽端左侧九点钟附近的短支架从本体上断裂后落入机座底部，将汇水管与机座短接后接地，在汇水管上产生736 A的环流及164 ℃的高温。若汇水管接地线上电流过大，可在接地线回路中临时串入阻值1Ω左右的限流电阻，临时将电流限定在正常值，待停机检修时进行彻底处理。

1.4 接地线断裂

因汇水管地线截面选择过小或检修时外力拉扯，引起接地线断裂的情况时有发生。引线断裂故障排查较容易，但如果在发电机检修后才发现故障，会造成返工，影响检修工期，因此，应在回装发电机端盖前仔细检查汇水管接地线的牢靠程度。例如某660 MW发电机定子两侧端盖已回装，在进行定子绝缘测量时，意外发现机内汇水管接地线脱落，造成返工。

接地线断裂不仅会影响汇水管的运行，还会对绕组水温的测量造成干扰。如某发电机运行中出现定子绕组水温度波动，同时发现水温测量回路存在3.2 V左右的20 Hz定子接地保护注入电压[8]。分析认为，汽端汇水管因接地线断裂而处于悬浮状态。后在机组停机期间对缺陷进行了检查，确实发现汇水管接地线已烧断，如图3所示。

图3 汇水管接地线烧断Fig.3 Ground wire fused of the water manifold

1.5 非电气故障

发电机汇水管与机座采用螺栓连接，会随机座产生振动，若安装时螺栓锁片缺失或运行时松脱，会造成螺栓松动。受振动影响，发电机端部压板螺杆松动、螺母掉入机壳底部，绝缘垫磨损脱落等现象也多次发生[9]。如某发电机励侧汇水管10点钟位置支架紧固螺栓的螺帽松动，退出约5 mm，险些脱落。后对汇水管进行自振频率测量，发现其存在103 Hz的自振频率。再如某GEC公司制造的350 MW机组，曾因汇水管共振原因，出现多次汇水管波纹膨胀器振裂事故[10-11]。实际上，发电机在热态通水情况下，阻尼降低，绕组端部自振频率还会下降5～8 Hz，可能跌入共振频带[12]。该类故障可通过对汇水管结构改进、配重等方案，使其避开共振频带加以解决。因此，应高度重视汇水管振动因素导致的故障。

2 暂态高压脉冲法处理汇水管接地故障案例

2.1 故障现象

某650 MW汽轮发电机检修时，实施定子绝缘检测时，汇水管对基座绝缘电阻RY为389 kΩ，符合RY≥30 kΩ的标准，修后复测定子绝缘时，意外发现汇水管对机座的绝缘电阻RY降为1.36 kΩ。现场分别使用2 500 V兆欧表及万用表对汽端汇水管、励端汇水管及出线盒小汇水管进行绝缘检测，发现汽端汇水管存在金属性接地故障，结果见表1。综合判断，汽端汇水管可能存在类似似接非接的金属性接地故障。

表1 发电机汇水管绝缘电阻

2.2 故障原因查找

鉴于引起汇水管金属性接地的可能原因较复杂，决定采用排除法确定故障原因。先将发电机闭式冷却水隔离，启动定冷水GST系统自循环，尝试通过对发电机定子冷却水回路进出水总管法兰、排污管法兰等实施强迫冲洗，去除可能搭接在绝缘法兰两侧的金属杂物。另外，通过GST系统自循环产生的热量，烘干可能受潮的汇水管支架绝缘件。经3 h自循环，发电机定子水温由15 ℃上升至48 ℃，定子温升明显，定子进出水法兰、排污管法兰及6组汇水管支架均有明显热感。再次实施汽端汇水管绝缘检测，其绝缘电阻接近为零。

排空定子冷却水后，检测结果仍未改善。仔细检查进出水法兰、排污管及汇水管支架绝缘结构，发现各法兰螺栓紧固，无受力错动痕迹，基本排除以上结构的绝缘缺陷。

在深入检查过程中发现，汽端31、33、46、49、51号测温元件包裹层破损，测温热电偶不同程度外露，测温信号线末端金属屏蔽网散开，如图4所示。分析认为，这些热电偶屏蔽层可能因制造工艺不佳，在制造阶段即存在热电偶金属屏蔽层与汇水管搭接现象。检修期间，试验人员在发电机端部作业过程可能误碰测温引线穿管，造成屏蔽线与端子板接触，最终使得汇水管经热电偶屏蔽层金属接地。

图4 屏蔽层破损的测温元件Fig.4 The thermocouple with damaged cable shield layer

考虑发电机按计划即结束检修，为节省工期，决定尝试采用全绝缘暂态高压脉冲发生器对接地点实施强行击穿，其原理如图5所示。试验时在测温元件端子板上汽端汇水管接地端子处注入极陡高能瞬态高压脉冲，借助波前时间小于1 μs的脉冲波上升沿及峰值功率，靶向定位汇水管接地点并利用高能脉冲峰值功率将故障点金属杂物熔断。

图5 高压脉冲靶向击穿示意图Fig.5 Schematic of the high-voltage pulse targeted breakdown

试验由低到高设定脉冲波电压峰值并手动触发，当试验电压增加值9.5 kV时，测温元件端子板位置先后出现两次明显的放电声响。判断故障点已被击穿，暂态脉冲录波如图6所示，波前时间约为560 ns。

图6 高压极陡脉冲波形Fig.6 The wave form of HV steep fronted impluse

按照使用万用表所测汇水管接地电阻3 kΩ计算，接地故障点瞬态注入电流达到3.17 A，峰值功率为30.08 kW，热电偶屏蔽网层与测温元件端子板之间的搭接金属丝已被熔断。用2 500 V兆欧表测量汽端汇水管无水状况的绝缘电阻，绝缘上升至1.3 MΩ。处理后对汽端84组测温元件实施了检测排查，测温元件导通性良好，KIT监测系统各线棒水温显示正常，表明试验未对测温元件造成影响。

3 汇水管故障应对措施

发电机汇水管故障比较常见，预防是关键。经对各类型汇水管故障进行总结，建议预防措施如下。

(1)停机检修期间，应对发电机汇水管进出水总管、排污管及绝缘支架等部位的绝缘件进行仔细检查，对绝缘套管及绝缘法兰进行清洁，必要时进行更换。

(2)加强测温元件的检查，防止测温元件及其金属屏蔽层搭接引起汇水管接地。以往，此类接地故障的处理往往需要剥开测温元件绝缘包裹层或打开测温元件端子板进行接线修复，应引起高度重视。

(3)检修时做好汇水管接地引出线检查，防止其受外力作用拉折或折断。建议对引线加强防护，必要时进行改进，增强其机械强度及载流截面。另外，制造厂也可考虑增加备用接地线。

(4)关注汇水管固定情况的检查，定期开展汇水管自振频率测试，防止汇水管倍频振动，引起支架绝缘及绝缘套管等因振动磨蚀损坏。

4 结束语

汽轮发电机汇水管属于发电机重要的功能结构，运行期间应长期保持固定牢靠，并始终一点接地。在应对各类汇水管故障方面，应主动排查各类可能导致汇水管故障的隐患并予以消除。同时还应关注汇水管共振等因素引起的绝缘损坏等故障形式。在处理汇水管故障技术方面，在总结完善各类现有经验的基础上，还应探索采用新技术提升汇水管消缺的效率，不断提高汽轮发电机的安全运行水平。