水轮发电机定子析出物成份分析

水轮发电机定子析出物成份分析
唐丽英  陈吉刚  刘玉民  周荣灿  西安热工研究院有限公司
摘  要：通过对某水轮发电机定子析出物进行宏观检查、体镜观察、SEM、EDS等试验分析，结果表明析出物由硅钢片腐蚀产物、绝缘材料老化产物及槽楔碎屑三种物质组成。
关键词： 水轮发电机    定子    析出物    绝缘材料
1引言
多家水力发电厂在发电机检修时曾发现定子铁心内膛面、铁心与槽楔接缝处等位置有油泥状析出物出现，并且随着运行时间的延长，析出物的数量、分布范围、性状及成分会发生变化[1-4]，但是并不清楚该析出物的具体组成和产生机理，为了保证发电机的运行安全，有必要对其进行理化检验，本文通过对某水轮发电机定子析出物进行宏观检查、体视显微镜观察及SEM、EDS分析，确定了析出物的组成及产生机理。
某水力发电厂3号发电机是由东方电机厂生产的TS900/135-56型45MW三相56极同步发电机，具有上导轴承，伞形结构，基本参数见表1。机组于1974年投产，至今已运行超过35年。
冷却系统为密闭双路自循环通风系统。发电机定子冲片材料硅钢片D42，厚度0.5mm。发电机绝缘等级为B级。定子线圈为条形波绕组，采用连续式热固性胶粉云母弹性绝缘。对地绝缘采用B级环氧粉云母带、槽内部分双边绝缘厚8mm、端部双边绝缘厚7.5mm。线棒的槽内部分和槽口部分均进行了防晕处理。
定子绕组在槽内的固定采用在槽底和上、下层线棒间填加适形毡和低阻环氧玻璃丝碳黑半导体板，并采用专用压紧工具压紧，使线棒在槽内良好就位。定子每槽由6段酚醛布板平槽楔组成，在槽楔下面采用低阻环氧玻璃丝碳黑平垫条和环氧玻璃布板平垫条压紧线棒。定子绕组端部用玻璃丝绳绑扎，端部上、下层线棒之间用绝缘垫块等固定件固定在端箍（支撑环）上。该水轮发电机的电气部分检修规程规定，定子铁芯检修采用的绝缘材料为氨基醇酸硅钢片漆（型号132）、醇酸绝缘灰瓷漆（型号1321）、低阻环氧半导体绝缘漆（型号130）。
2005 年7 月25 日定检时，发现定子铁芯内膛上下端部周圈约300mm内的铁芯、铁芯与槽楔接缝处有不同程度焦黑色略带红色析出物，还有少量槽楔、环氧玻璃布板平垫条、半导体平垫条下移。
2006 年11 月21 日～2006 年11 月25 日不吊转子大修期间，槽楔与铁芯接触面的两侧面附着有铁锈红析出物，半导体垫条表面完整平滑，半导体涤纶毡、线棒表面防晕层完好。定子上下端部周圈约300mm 内的铁心内膛面、铁心与槽楔接缝处有焦黑色略带红色析出物。
2009 年2月大修，铁芯、铁芯与槽楔接缝处焦黑色略带红色析出物有增多的趋势。为保证发电机安全运行有必要对其进行分析。
2 试验分析
2.1 试验设备与方法
首先对定子析出物进行宏观检查，然后在OPTON高级体视显微镜下观察其宏观特征，利用酒精浸泡析出物并过滤，去除析出物中的油脂后再在体视显微镜下进行观察，最后通过SEM和EDS分析确定析出物的成分，并结合宏观特征对析出物的产生机理进行了探讨。
2.2宏观分析
2009 年2月吊转子大修时，铁芯内膛面、铁芯与槽楔接缝处不同程度焦黑色略带红色析出物的照片见图1和图2。从析出物形态特征可看出铁芯齿部表面析出物较薄呈浅铁红色，硅钢片之间缝隙处颜色较深，表明铁芯齿部温度升高，硅钢片片间绝缘材料软化、熔融或焦化而外溢；铁芯与槽楔接缝处析出物较厚呈焦黑色略带红色，表明铁芯与槽楔接缝处冷却能力较差，温升较高，成为软化绝缘材料和焦化物外溢便捷通道；铁芯与槽楔接缝处析出物呈现向相同圆周方向漫延，表明铁芯与槽楔接缝处析出物温度较高，在转子转动气流作用下发生流动。
      
图1  3号发电机定子析出物的现场照片
2.3体视显微镜观察
从铁芯内膛所取的析出物样品宏观上呈黑褐色块状油泥，当块状物颗粒较厚而尺寸较大时呈黑色，而当块状物颗粒较薄而尺寸较小时呈红色；从质感上来看析出物具有油性，同时有部分灰白色或红色的具有玉状光泽的块状物及少量纤维丝，清洗前后的照片如图2和图3所示。
总结体视显微镜试验结果可以得出析出物样品含有三种物质，即黑色或暗红色的块状物或粉末；呈玉状光泽的灰白色片状物；纤维丝，个别纤维丝上有球状结，呈串珠状，球状结的质感与呈玉状光泽的灰白色片状物相同。
     
图2  发电机定子析出物清洗前的体视显微镜照片
     
图3  发电机定子析出物清洗后的体视显微镜照片
2.4  SEM/EDS分析
利用FEI Quanta 400HV型扫描电子显微镜进行析出物观察分析；用Oxford INCA Energy-X射线能谱仪对析出物和从析出物分离出的三类物质进行X射线能谱分析（EDS）。对35个不同位置进行了分析，典型照片和EDS分析结果见图4和表1，将这些试验结果并结合体视显微镜下观察到的形态特征可得出：
1）在黑色或暗红色的块状物上可观察到解理断面，这表明析出物在室温下呈脆性状态；该类物质能被磁铁吸附，这些现象表明此类析出物的物性已异于硅钢片片间绝缘材料的物性。解理断面的典型扫描电镜的形貌见图4（a），EDS分析结果见表1中分析位置21～23，其主要元素为Fe、O、C、Si，同时含有少量的Al、S、Ca、Zn等，其化学成分特征是含有较高Fe和Si元素含量，此类物质属于硅钢片的接触腐蚀产物和绝缘材料焦化物的混合物。
3）呈玉状光泽的灰白色片状物的主要元素为C、O、Si、S、Ca、Zn、Ba、Fe等，其化学成分特征是含有较高Ba和Zn元素含量，此类物质属于绝缘材料受热软化或熔融后的挤出物。该类物质的典型扫描电镜的形貌和EDS分析结果见图4（b）和表1中分析位置19、20。
4）纤维丝的主要成分为C、N、O、S，同时含有少量的Ca、Fe等，其化学成分特征是含有较高N和S元素含量，此类物质是从酚醛布板槽楔中因微动摩擦分离出来的纤维丝。该类物质的典型扫描电镜的形貌和EDS分析结果见图4（c）和表1中分析位置12。
5）个别纤维丝上有球状结，呈串珠状，球状结的化学成分与呈玉状光泽的灰白色片状物的化学成分类似，有Zn元素而无Ba元素，此类物质属于绝缘材料受热熔融后在纤维丝上凝聚形成的，见图4（d）和表1中分析位置4。

   
   
图4  析出物样品的典型电镜形貌
表1   图4中各分析位置对应的EDS试验结果（wt%）
分析位置        C        N        O        Mg        Al        Si        S        Cl        K        Ca        Fe        Zn        Ba
21        8.90        /        28.58        /        /        1.29        1.93        /        1.71        1.98        55.60        /        /
22        10.98        /        45.03        /        /        2.33        1.37        /        /        1.36        38.81        0.12        /
23        14.65        /        61.19        /        /        1.87        1.24        /        0.64        1.12        19.29        /        /
19        5.92        /        33.65        /                0.40        15.77        /        /        /        2.03        13.74        28.49
20        4.50        /        31.05        /        1.22        2.64        14.11        /        0.72        1.97        4.24        11.07        28.47
12        7.43        25.65        55.64        0.55        /        /        9.06        0.48        /        /        1.18        /        /
4        6.98        /        60.14        1.40        2.90        7.87        4.60        /        1.41        6.12        7.48        1.11        /

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