王聲學(xué)

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現(xiàn)場拆裝TBB-1000-2Y3型發(fā)電機轉(zhuǎn)子護環(huán)用感應(yīng)加熱電源的設(shè)計與應(yīng)用

王聲學(xué)

（中核集團江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042）

某核電站一期工程汽輪發(fā)電機為圣彼得堡電力工廠生產(chǎn)的TBB-1000-2Y3型隱極式同步發(fā)電機。該型號發(fā)電機轉(zhuǎn)子自2007年投入商運以來，出現(xiàn)絕緣問題較多。文中對轉(zhuǎn)子繞組絕緣缺陷處理的前期準備，即從護環(huán)的拆裝方法、電源的選取設(shè)計等入手進行了介紹。設(shè)計了一種全新單相全絕緣變壓器解決了核電站現(xiàn)場無拆裝護環(huán)用非標(biāo)電源的技術(shù)難題，同時總結(jié)了感應(yīng)加熱法的經(jīng)驗，供相關(guān)人員參考。

隱極式同步發(fā)電機；轉(zhuǎn)子；護環(huán)；感應(yīng)加熱法

0 前言

中核集團某核電站一期工程汽輪發(fā)電機為圣彼得堡電力工廠生產(chǎn)的TBB-1000-2Y3型俄供隱極式同步發(fā)電機，主要參數(shù)見表1。該型號發(fā)電機轉(zhuǎn)子自該核電站2007年投入商運以來，一直存在絕緣波動現(xiàn)象，出現(xiàn)絕緣問題較多，運行中最低絕緣電阻僅為0.509MΩ，接近制造廠允許正常值0.5MΩ的標(biāo)準要求[1,2]。甚至在T104大修期間，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)子繞組1000V交流耐壓試驗未通過的現(xiàn)象。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)絕緣缺陷時，就需要拆除護環(huán)并進行檢修處理。

表1 某核電站一期工程發(fā)電機參數(shù)

1 拆裝轉(zhuǎn)子護環(huán)的加熱方法

轉(zhuǎn)子護環(huán)是采用熱套的方法安裝到轉(zhuǎn)子上的，所以拆裝護環(huán)時也需要采用對護環(huán)加熱的方法。發(fā)電機護環(huán)拆裝加熱的方法主要有明火加熱法、電熱絲加熱法和感應(yīng)加熱法[1]。

明火加熱法是采用乙炔火把的形式對護環(huán)進行加熱。對操作人員技能要求較高，需要保證加熱均勻。對于大型機組，由于護環(huán)較厚，同時表面積也較大，很難做到表面加熱均勻，且明火加熱法對護環(huán)存在較大的損傷風(fēng)險，因此該方法不適用于大型機組。

電熱絲加熱法是采用在護環(huán)表面覆蓋電熱絲的方法進行加熱。該加熱法同樣是在護環(huán)表面進行加熱，采用熱傳導(dǎo)的原理將熱量傳遞到護環(huán)內(nèi)部，因此對于大型機組也存在護環(huán)表面溫度已經(jīng)很高，而內(nèi)部溫度卻達不到要求的問題。

感應(yīng)加熱法利用的是導(dǎo)體內(nèi)渦流損耗發(fā)熱的原理，即在護環(huán)表面纏繞一組鋼性或撓性感應(yīng)線圈[3]，當(dāng)線圈中通入交變電流時，會產(chǎn)生交變的電磁場。交變的電磁場會在護環(huán)上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而產(chǎn)生渦流損耗，護環(huán)溫度逐漸升高。該法加熱均勻，對護環(huán)的損傷較小。

由上述分析可知，明火加熱法和電熱絲加熱法均不適用于TBB-1000-2Y3型發(fā)電機轉(zhuǎn)子護環(huán)的加熱拆裝。對于感應(yīng)加熱法，鋼性加熱線圈可以避免纏繞線圈過程，適用于經(jīng)常性的拆裝護環(huán)場合，因此在電機制造廠應(yīng)用較多；對于電廠，則撓性加熱線圈較適用[3]。

對于感應(yīng)加熱法，護環(huán)中渦流滲透深度的計算公式通常用式（1）表示[4]：

式中：——常數(shù)，為5.033；

——頻率，Hz；

μ——護環(huán)的相對磁導(dǎo)率。

TBB-1000-2Y3型機組轉(zhuǎn)子護環(huán)參數(shù)見表2。將參數(shù)代入式（1）計算可得，感應(yīng)渦流在護環(huán)中滲透的深度為56.78～63.66mm，小于護環(huán)厚度95.65mm。可見感應(yīng)線圈產(chǎn)生的渦流損耗主要集中在護環(huán)外表面至約2/3位置，不會對轉(zhuǎn)子端部繞組產(chǎn)生影響。因此，感應(yīng)加熱法適用于TBB-1000-2Y3型機組轉(zhuǎn)子護環(huán)的加熱。

表2 TBB-1000-2Y3型發(fā)電機轉(zhuǎn)子護環(huán)參數(shù)

2 護環(huán)用加熱電源的選擇與設(shè)計

2.1 加熱電源方案的選擇

表3為廠家提供的發(fā)電機轉(zhuǎn)子護環(huán)拆裝參數(shù)要求。根據(jù)廠家要求，護環(huán)的拆裝時間要求為40~50min，若采用感應(yīng)加熱法拆裝發(fā)電機轉(zhuǎn)子護環(huán)則需要電壓125V左右，容量不小于160kVA的大容量電源，但是電站現(xiàn)場汽輪發(fā)電機廠房無滿足此條件的檢修電源。

表3 TBB-1000-2Y3型發(fā)電機轉(zhuǎn)子護環(huán)拆裝參數(shù)要求

核電站廠用電系統(tǒng)有6kV和0.4kV兩個電壓等級，6kV母線電壓一般達到6.3kV。經(jīng)過對現(xiàn)場電源的篩選，能夠滿足容量需求，且方便使用的只有從6kV正常段（BBA/BBB/BBC/BBD）備用柜取用。因此，可通過變壓器將可靠段6.3kV電壓降低使用。

由于拆裝護環(huán)工期緊，前期通過改造一臺10kV箱變作為臨時加熱電源滿足護環(huán)的拆裝作業(yè)[6]?？紤]到利用該箱變進行護環(huán)拆裝存在諸多不便，因此需要設(shè)計一臺非標(biāo)變壓器以滿足處理轉(zhuǎn)子絕緣缺陷的需求。

2.2 非標(biāo)變壓器的設(shè)計

依據(jù)《電力變壓器選用導(dǎo)則》（GB/T 17468-2008）[6]和《干式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》（GB/T 10228-2008）[7]規(guī)定，對部分技術(shù)參數(shù)進行了確定[8]。初步設(shè)計干式變壓器高壓側(cè)額定電壓為6.3kV，高壓側(cè)分接范圍為±2×2.5%，短路阻抗k%為4%，頻率50Hz。

在箱變改造方案護環(huán)加熱過程中，當(dāng)線圈纏繞25匝，施加電壓為125～135V之間時，無論是拆卸還是回裝，護環(huán)加熱效果較好，此時功率因數(shù)在0.5～0.6之間，總功率最高時接近190kVA[5]。則可以據(jù)此為參照來設(shè)計該非標(biāo)變壓器，考慮留有裕度，并依據(jù)標(biāo)準GB1094.1-1996《電力變壓器》[9](現(xiàn)已由GB 1094.1-2013[10]代替)第1部分總則規(guī)定的額定容量值R10系列，容量設(shè)計為250kVA。標(biāo)準GB/T 10228-2008規(guī)定該容量變壓器負載損耗k為3250W[7]。

取變壓器二次側(cè)額定電壓為130V，則變壓器歸算到二次側(cè)漏抗為[11]：

變壓器二次側(cè)電流為：

變壓器二次側(cè)短路電阻為：

由于感應(yīng)加熱線圈為感性負載，電流滯后電壓，功率因數(shù)在0.5～0.6之間。取功率因數(shù)為0.55，則=56.6°。變壓器一次側(cè)和二次側(cè)都有漏阻抗。當(dāng)負載電流通過時必然會在這些漏阻抗上產(chǎn)生壓降，利用T、k、k結(jié)果，以拆裝護環(huán)時工作電流1350A計算，則變化率為[12-13]：

△%=2.8% （5）

變壓器二次側(cè)壓降為：

1=130V×2.8%=3.6V （6）

考慮到變壓器自身壓降3~4V，可將二次繞組額定電壓設(shè)計為133V，即額定電壓設(shè)計為6.3kV/133V±2×2.5%。當(dāng)工作電流取1200～1500A中間值1350A時，修改參數(shù)后的變壓器二次側(cè)壓降為3.8V。

因此，依據(jù)上述計算的參數(shù)及干式電力變壓器標(biāo)準，設(shè)計組合式變電站系統(tǒng)圖如圖1所示[14]。

圖1 組合式變電站系統(tǒng)圖

（H-高壓側(cè)；TM-變壓器；L-低壓側(cè)；TA-電流互感器；PA-電流表；PV-電壓表；SQ-帶電指示器；QL-高壓真空負荷開關(guān)；QF-低壓斷路器）

考慮到6kV系統(tǒng)停送電需要由運行人員操作，不便于變壓器在護環(huán)加熱前進行控制回路的調(diào)試，因此在設(shè)計時考慮到電站現(xiàn)場實際情況，采用汽輪機廠房UMA16m 220V交流電源作為變電站控制回路電源，原理圖如圖2所示。

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準[15,16]對變壓器進行出廠試驗和交接驗收試驗，試驗實際測定短路阻抗為4.4%，負載總損耗3290W。忽略電壓變比偏差，功率因數(shù)依然取0.55，工作電流取1350A，則二次側(cè)壓降為4.2V。

已利用該變電站完成多次護環(huán)的拆裝工作。表4中數(shù)據(jù)為2016年1號機組T109大修護環(huán)拆裝記錄數(shù)據(jù)，變壓器工作在主分接（3分接，電壓比誤差+0.2%）。

圖2 變壓器控制回路電源進線原理圖

表4 2016年1號機組發(fā)電機大修護環(huán)拆裝加熱數(shù)據(jù)

由表4中數(shù)據(jù)可以看出，實際壓降與計算壓降基本吻合，加熱時間和電流均滿足護環(huán)廠家技術(shù)文件要求。護環(huán)拆裝最重要的參數(shù)是在規(guī)定的40～50min內(nèi)達到拆裝溫度要求。時間過短，會導(dǎo)致護環(huán)外層溫度急劇變化，造成內(nèi)外溫度不均，無法拆裝護環(huán)；時間過長，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子本體端部受熱膨脹，亦無法完成護環(huán)拆裝。對加熱時間的控制主要通過調(diào)節(jié)電壓、電流及線圈匝數(shù)來實現(xiàn)。

3 結(jié)束語

感應(yīng)加熱電源是利用改造的10kV箱變多次拆換護環(huán)作業(yè)的基礎(chǔ)上總結(jié)與設(shè)計的。利用設(shè)計的加熱電源已完成十余次護環(huán)拆裝作業(yè)。通過對發(fā)電機轉(zhuǎn)子護環(huán)的多次拆裝，總結(jié)了以下經(jīng)驗，可供相關(guān)電廠維修技術(shù)人員進行現(xiàn)場拆裝護環(huán)時參考。

（1）對于TBB-1000-2Y3型發(fā)電機，在實際加熱時，電壓控制在130V左右（125～135V）加熱效果較好。

（2）感應(yīng)加熱電纜纏繞在護環(huán)兩側(cè)的線匝要緊密，中間線匝之間保留20～25 mm的間隙。具體纏繞匝數(shù)可根據(jù)電流大小進行適量調(diào)節(jié)，一般纏繞25匝時效果較好，纏繞一層后多出的匝數(shù)應(yīng)纏繞在護環(huán)靠轉(zhuǎn)子本體側(cè)，如圖3所示。

圖3 感應(yīng)加熱電纜纏繞圖

（3）護環(huán)與電纜間纏繞5mm厚隔熱石棉，在石棉與護環(huán)間埋設(shè)測溫用探頭，測溫儀器量程不低于400℃。加熱過程中每隔5min記錄一次加熱電壓、電流和護環(huán)溫度，同時要不定時地用紅外熱像儀進行溫度監(jiān)測，直至達到護環(huán)拆裝所需條件，并開始護環(huán)拆裝作業(yè)為止。

（4）感應(yīng)加熱用電纜為通水電纜，保證冷卻水壓在0.147～0.196MPa即可。在加熱前，要先通入冷卻水，且在加熱過程中冷卻水須連續(xù)，加熱完成后要繼續(xù)通入冷卻水，直至電纜降至正常溫度。

[1] 王聲學(xué), 鄒曉, 申雁鵬,等. TBB-1000型發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組絕緣缺陷的處理與分析[J]. 大電機技術(shù), 2013(4):17-20.

[2] 馬建明, 佟小明, 劉奎,等. TBB-100-2Y3型發(fā)電機轉(zhuǎn)子絕緣低缺陷處理及大修管理[J]. 電工技術(shù), 2014(7):47-48,60.

[3] 楊明, 于長勝, 楊占廷,等. 俄羅斯TBφ-120-2和TBM-160-2系列汽輪發(fā)電機拆裝轉(zhuǎn)子護環(huán)工藝[J]. 吉林電力, 2008, 36(2):29-32.

[4] 楊曉斌, 楊軍. 感應(yīng)加熱法在發(fā)電機轉(zhuǎn)子檢修中的應(yīng)用[J]. 黑龍江電力, 2000, 22(4):49-52.

[5] 王聲學(xué). 現(xiàn)場拆裝大型發(fā)電機轉(zhuǎn)子護環(huán)用感應(yīng)加熱電源的設(shè)計與應(yīng)用[C]//第十二屆核電維修領(lǐng)域經(jīng)驗交流會論文集, 2016, 08:217-225.

[6] GB/T 17468-2008, 電力變壓器選用導(dǎo)則[S].

[7] GB/T 10228-2008, 干式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求[S].

[8] 尹克寧. 變壓器設(shè)計原理[M]. 北京:中國電力出版社, 2003:10-11.

[9] GB 1094.1-1996, 電力變壓器[S].

[10] GB 1094.1-2013, 電力變壓器[S].

[11] 韓禎祥. 電力系統(tǒng)分析[M]. 杭州:浙江大學(xué)出版社, 1997:85-89.

[12] 辜承林, 陳喬夫, 熊永前. 電機學(xué)[M]. 武漢:華中科技大學(xué)出版社, 2005:139-140.

[13] 李發(fā)海, 陳湯銘, 朱東起,等. 電機學(xué)[M]. 北京:科學(xué)出版社, 1991:36-38.

[14] 王聲學(xué), 王略, 鄒曉,等. 一種發(fā)電機轉(zhuǎn)子護環(huán)感應(yīng)加熱箱式變壓器[P]. 中國實用新型專利:ZL201620279488.0, 2016-11-23.

[15] JB/T 501-2006, 電力變壓器試驗導(dǎo)則[S].

[16] GB50150-2006, 電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗標(biāo)準[S].

DesignandApplication for Induction Heating Power Source Used to Remove and Reinstall Rotor Retaining Ring of Generator TBB-1000-2Y3 on Site

WANG Shengxue

(CNNC Jiangsu Nuclear Power Corporation, Lianyungang 222042, China)

The non-salient pole synchronous generators of first-stage project of a Nuclear Power Station is type TBB-1000-2Y3 made by Russia. This type rotor winding occurs insulation defects many times from 2007. This paper gives an introduction about preparation, which is the method of removing and reinstalling the retaining ring, and selection and design for the power source. A brand new single phase insulated transformer is designed, which solves the problem of removing and reinstalling the rings on Nuclear Power Station site without non-standard power source. And then, experiences about induction heating are given that can be applied as references for relative engineers.

non-salient pole synchronous generator; rotor; retaining ring; induction heating method

TM303.3

A

1000-3983(2018)03-0020-04

2017-04-11

王聲學(xué)（1981-），2008年畢業(yè)于西南交通大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，工學(xué)碩士，現(xiàn)從事核電廠電氣調(diào)試及檢修管理工作，高級工程師。