CN113075509B - 水内冷发电机线棒水电接头绝缘在线监测装置及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水内冷发电机线棒水电接头绝缘在线监测装置及监测方法，技术方案是，发电机线棒水电接头的水盒与水盒盖之间有焊缝，焊缝外侧设置有沿焊缝布置且覆盖焊缝的气体检测盒，气体检测盒的底面与发电机线棒水电接头外表面密封连接，使气体检测盒的内腔构成一个相对密闭的示踪气体监测空间，焊缝全段均位于示踪气体监测空间覆盖范围内，气体检测盒上连接有用于充入示踪气体或用于监测示踪气体监测空间内部压力的三通阀，本发明通过测量水电接头两侧压力值的变化，并通过测量内冷水箱特征气体的含量来直观判断各水电接头的绝缘性能，安全可靠，覆盖焊缝的气体检测盒为绝缘劣化提供了第二道防线，有效防止内冷水进入发电机。
Description
技术领域
本发明涉及水电接头绝缘监测，特别是一种面向智慧电厂的水内冷发电机线棒水电接头绝缘在线监测装置及监测方法。
背景技术
目前随着国家能源行业碳达峰和碳中和目标的提出，传统火力发电厂的装机容量占比呈下滑趋势，在役火力发电厂(含核电厂，下同)的单机容量基本在600MW以上，设备运行可靠性日益突出。火力发电厂应面向未来，使现有的各种发电方式能够更好地适应未来的智能社会以及能源革命和创新。
火力发电厂600MW以上机组线棒内主要采用水内冷冷却方式，即冷却水从发电机励侧汇水管通过绝缘引水管进入水电接头，从水电接头进入各线棒，冷却完线棒后通过汽侧水电接头进入绝缘引水管，汇集到汽侧汇水管，流出到发电机内冷水箱；线棒外为氢气冷却。运行中氢气压力约0.4～0.45MPa，内冷水压力为0.2～0.35，氢气压力应大于水压。当线棒存在裂纹时，氢气会从裂纹进入内冷水，在内冷水箱设置氢气浓度报警，当内冷水箱中含氢量超过2％时应加强对发电机的监视，超过10％应停机消缺。同时内冷水箱的氢气浓度应避开4％～75％的可能爆炸范围。
运行中氢气浓度因为管路泄漏或者氢气冷却器泄漏等原因造成发电机内部的氢气纯度不断下降，因此运行中需要不断补氢气，但是氢气具体泄漏的位置不能准确确定，且水电接头表面包裹有环氧云母带。目前线棒水电接头绝缘性能主要依靠停机拆端盖后，利用在手包绝缘(水电接头外边包裹环氧云母带以后的称呼)表面施加直流电压的方法进行测试，施加电压约20kV，通过泄漏电流的大小来判断绝缘的优劣，该方法的原理是欧姆定理，即施加固定的电压U，泄漏电流I大的则绝缘电阻R不良，标准依据为DL/T 1612/2016《发电机定子绕组手包绝缘施加直流电压测量方法及评定导则》，该标准只是采用了离线检测的方法逐个测量水电接头的绝缘性能，不能有效实现在线监测，对于发现问题的及时性也较差，且存在盲区，试验用包裹的导电布或金属铝箔的面积会影响测试结果。且不满足智慧电厂对绝缘在线监测数据的要求。
现有发明专利202010946377.1《一种判定发电机线棒漏氢的方法》仅针对内冷水箱中漏氢量超标的机组通过氢气饱和溶解度与氢气压力的关系，辅助分析判断发电机漏氢故障，仅是从理论方面进行理想化分析，对于具体的氢气泄漏的位置不能判断，且对于水电接头的绝缘状态亦不能进行在线监测。亦不满足智慧电厂对绝缘在线监测数据的要求。
因此，水内冷发电机线棒水电接头绝缘监测的改进和创新势在必行。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种水内冷发电机线棒水电接头绝缘在线监测装置及监测方法，可有效解决线棒水电接头绝缘性能在线监测的问题。
本发明解决的技术方案是：
一种水内冷发电机线棒水电接头绝缘在线监测装置，包括发电机线棒水电接头，发电机线棒水电接头的水盒与水盒盖之间有焊缝，焊缝外侧设置有沿焊缝布置且覆盖焊缝的气体检测盒，气体检测盒的底面与发电机线棒水电接头外表面密封连接，使气体检测盒的内腔构成一个相对密闭的示踪气体监测空间，焊缝全段均位于示踪气体监测空间覆盖范围内，气体检测盒上连接有用于充入示踪气体或用于监测示踪气体监测空间内部压力的三通阀，三通阀的一个接口与示踪气体监测空间相连通作为示踪气体进出通道，三通阀的第二个接口作为充气通道，三通阀的第三个接口与压力传感器相连作为示踪气体压力检测通道，电厂DCS系统的输入端与用于监测示踪气体监测空间内部压力的压力传感器的输出端相连。
优选的，所述示踪气体压力检测通道所在的三通阀接口上密封连接有压力监测绝缘管路，压力传感器固定在汇水管表面，压力监测绝缘管路引至压力传感器的检测端且端部密封，用于实时监测示踪气体监测空间内部压力。
优选的，所述气体检测盒底面的两侧分别与水盒外表面以及水盒盖外表面焊接密封，气体检测盒将整个焊缝包裹，作为线棒水电接头绝缘的第二道防线，当焊缝开裂后，既可以监测水电接头的绝缘状况，又可以防止内冷水通过焊缝进入发电机，避免发电机产生定子接地，或损伤线棒绝缘。
优选的，所述的示踪气体为氦气或六氟化硫中的一种。
优选的，发电机内冷水箱内设置有用于监测是否存在示踪气体的示踪气体传感器，电厂DCS系统的输入端与示踪气体传感器的输出端相连。
一种基于上述在线监测装置的水内冷发电机线棒水电接头绝缘在线监测方法，包括以下步骤：
S1，安装在线监测装置
停机状态下，将气体检测盒沿发电机线棒水电接头的水盒与水盒盖之间的焊缝密封固定，形成一个相对密闭的示踪气体监测空间，焊缝全段均位于示踪气体监测空间覆盖范围内，气体检测盒上连接有用于充入示踪气体或用于监测示踪气体监测空间内部压力的三通阀，三通阀的一个接口与示踪气体监测空间相连通作为示踪气体进出通道，三通阀的第二个接口作为充气通道，三通阀的第三个接口与压力传感器相连作为示踪气体压力检测通道，电厂DCS系统的输入端与用于监测示踪气体监测空间内部压力的压力传感器的输出端相连；
S2，设置示踪气体监测空间初始压力
将充气通道所在三通阀接口通过充气管路与示踪气体气源相连，调节三通阀，使示踪气体进出通道与充气通道连通，往示踪气体监测空间内充入示踪气体，通过电厂DCS系统调取机组运行时发电机线棒水电接头外部H2的压力P1，通过压力传感器读取充入示踪气体后示踪气体监测空间内部压力P0，持续往示踪气体监测空间内充入示踪气体，使得P0＝P1后，调节三通阀，使示踪气体进出通道与充气通道关闭，同时示踪气体进出通道与示踪气体压力检测通道导通，拆下充气管路以及气源，完成示踪气体监测空间初始压力的设置；
S3，在线监测
机组运行，电厂DCS系统实时读取发电机线棒水电接头外部H2的压力P1、H2的纯度、H2的湿度、内冷水压力P2，同时通过压力传感器读取示踪气体监测空间的实施压力P、通过示踪气体传感器实时监测内冷水箱是否存在示踪气体，通过以上数据对水内冷发电机线棒水电接头绝缘情况进行在线监测，标准如下：
a、当P＝(0.98-1.02)P1,且1.4P2＜P＜2P2，同时P1>P2时，水电接头绝缘情况良好，机组正常运行；
b、当P2＜P＜1.4P2时，检测内冷水箱是否存在示踪气体，若内冷水箱不存在示踪气体，机组可持续运行，同时缩短监测周期；若内冷水箱存在示踪气体，则水电接头绝缘有劣化趋势，需持续监测观察；
c、当P＝P2＜P1时，若发电机内部H2的纯度和H2的湿度均合格，无论内冷水箱是否存在示踪气体，水电接头绝缘已破坏，需要选择合适时机停机检修；
d、当P＝P2＜P1时，若发电机内部H2的纯度有下降趋势，同时H2的湿度有增加趋势，且内冷水箱存在示踪气体，则示踪气体已泄漏至内冷水通道，同时内冷水已从焊缝裂纹进入示踪气体监测空间，存在内冷水进入发电机的风险，需立即打闸停机，防止事故进一步扩大。
本发明结构独特，简单合理，易生产，易操作，方法简单，在现有水内冷发电机线棒水电接头上改造即可，发电机线棒定子接地需更换线棒，费用昂贵，检修周期较长，长时间不能发电又造成了电量的损失，本发明通过测量水电接头两侧压力值的变化，并通过测量内冷水箱特征气体的含量来直观判断各水电接头的绝缘性能，不需要机组停机拆端盖后，通过高压试验来逐个判断，安全可靠，通过气体压力的判断，可智能化的区分具体绝缘劣化的水电接头，能够取代停电以后的手包绝缘施加直流耐压试验，使得停电以后检修更有针对性，缩短试验工期，并且实现水电接头绝缘的数字化显示，满足智慧电厂对大数据和人工智能的要求，同时覆盖焊缝的气体检测盒为绝缘劣化提供了第二道防线，有效防止内冷水进入发电机，从而防止机组事故扩大，使用方便，效果好，是线棒水单接头绝缘性能在线监测方法上的创新，有良好的社会和经济效益。
附图说明
图1为本发明发电机线棒水电接头的剖视图。
图2为本发明发电机线棒水电接头的右视图。
图3为本发明发电机线棒水电接头的主视图(充气时)。
图4为本发明气体检测盒的剖视图。
图5为本发明压力测量分布示意图。
图6为本发明电路原理框式图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
由图1-5给出，本发明水内冷发电机线棒水电接头绝缘在线监测装置包括发电机线棒水电接头，发电机线棒水电接头的水盒1与水盒盖4之间有焊缝12，其特征在于，焊缝12外侧设置有沿焊缝布置且覆盖焊缝12的气体检测盒2，气体检测盒2的底面与发电机线棒水电接头外表面密封连接，使气体检测盒2的内腔构成一个相对密闭的示踪气体监测空间2a，焊缝12全段均位于示踪气体监测空间2a覆盖范围内，气体检测盒2上连接有用于充入示踪气体或用于监测示踪气体监测空间2a内部压力的三通阀3，三通阀3的一个接口与示踪气体监测空间2a相连通作为示踪气体进出通道，三通阀3的第二个接口作为充气通道，三通阀3的第三个接口与压力传感器6相连作为示踪气体压力检测通道，电厂DCS系统的输入端与用于监测示踪气体监测空间2a内部压力的压力传感器6的输出端相连。
如图1所示，为发电机线棒水电接头的剖视图，水盒1与水盒盖4焊接在一起，焊缝12位于二者的交接处，空心股线装在水盒1内，跨接股线9通过L型压板8固定在水盒盖上，水盒盖内的内冷水通道通过不锈钢水嘴与绝缘引水管16相连并引至汇水管7，L型压板8分别通过第一螺栓11a和第二螺栓11b固定在水盒盖上，附图标记10为跨接股线9与水盒盖的焊缝，图中细线箭头表示水流方向，粗线箭头表示电流方向，以上结构为现有技术，本发明在焊缝12上增设相对密闭且覆盖焊缝的气体检测盒2，通过往气体检测盒2内的示踪气体监测空间2a注入与外部氢气等压力的示踪气体，并对该示踪气体进行实施监测，与内冷水压力以及外部氢气压力进行比对，从而对水电接头绝缘情况进行在线监测，在安装气体检测盒2时，由于其需要覆盖环形的全段焊缝，因此若L型压板8靠近焊缝12的一端对安装气体检测盒有影响的情况下，可以在不影响使用的情况下适当外翻或截断部分，为气体检测盒提供安装空间。
所述示踪气体压力检测通道所在的三通阀接口上密封连接有压力监测绝缘管路5，压力传感器6固定在汇水管7表面，压力监测绝缘管路5引至压力传感器6的检测端且端部密封，用于实时监测示踪气体监测空间2a内部压力；压力传感器6不设置在气体检测盒2内部的原因是焊缝处带电，不适合安装压力传感器，通过压力监测绝缘管路引至汇水管，汇水管接地，保证压力传感器的正常使用。
所述充气通道所在的三通接口上可预留接头，用于与充气管路17连接充气。
所述气体检测盒2底面的两侧分别与水盒1外表面以及水盒盖4外表面焊接密封，采用全段焊接的工艺，如采用中频银焊接，保证整体的密闭性，气体检测盒2将整个焊缝包裹，使气体检测盒内腔形成一个相对密闭的示踪气体监测空间2a，作为线棒水电接头绝缘的第二道防线，当焊缝12开裂后，既可以监测水电接头的绝缘状况，又可以防止内冷水通过焊缝进入发电机，避免发电机产生定子接地，或损伤线棒绝缘。
所述的示踪气体为氦气或六氟化硫中的一种。
发电机内冷水箱内设置有用于监测是否存在示踪气体的示踪气体传感器，电厂DCS系统的输入端与示踪气体传感器的输出端相连；
所述示踪气体传感器安装在发电机内冷水箱内，用于监测内冷水箱是否含有示踪气体，并将该监测结果传输给电厂DCS系统，实现实时在线监测，该监测是否含有示踪气体的传感器为现有技术，如当示踪气体为氦气时，示踪气体传感器可以采用德国MesskonzeptGmbH公司销售的型号为FTC200-He的热导式氦气传感器、湖南省拓安仪器有限公司销售的型号为GCT-HE的固定式氦气报警器等。又如当示踪气体为六氟化硫时，示踪气体传感器可以采用深圳市东日瀛能科技有限公司销售的六氟化硫SF6传感器、深圳市昂为电子有限公司销售的六氟化硫传感器等；
一种基于上述在线监测装置的水内冷发电机线棒水电接头绝缘在线监测方法，包括以下步骤：
S1，安装在线监测装置
停机状态下，将气体检测盒2沿发电机线棒水电接头的水盒1与水盒盖4之间的焊缝12密封固定，形成一个相对密闭的示踪气体监测空间2a，即示踪气体监测空间2a与外部互补导通，同时示踪气体监测空间2a与水盒内的内冷水通道互补导通，焊缝12全段均位于示踪气体监测空间2a覆盖范围内，气体检测盒2上连接有用于充入示踪气体或用于监测示踪气体监测空间2a内部压力的三通阀3，三通阀3的一个接口与示踪气体监测空间2a相连通作为示踪气体进出通道，三通阀3的第二个接口作为充气通道，三通阀3的第三个接口与压力传感器6相连作为示踪气体压力检测通道，电厂DCS系统的输入端与用于监测示踪气体监测空间2a内部压力的压力传感器6的输出端相连；
S2，设置示踪气体监测空间初始压力
将充气通道所在三通阀接口通过充气管路17与示踪气体气源15相连，转动手轮调节三通阀，使示踪气体进出通道与充气通道连通，往示踪气体监测空间2a内充入示踪气体，通过电厂DCS系统调取机组运行时发电机线棒水电接头外部H2的压力P1，通过压力传感器读取充入示踪气体后示踪气体监测空间2a内部压力P0，持续往示踪气体监测空间内充入示踪气体，使得P0＝P1后，转动手轮调节三通阀，使示踪气体进出通道与充气通道关闭，同时示踪气体进出通道与示踪气体压力检测通道导通，拆下充气管路17以及气源，完成示踪气体监测空间初始压力的设置；
S3，在线监测
机组运行，电厂DCS系统实时读取发电机线棒水电接头外部H2的压力P1、H2的纯度、H2的湿度、内冷水压力P2，同时通过压力传感器6读取示踪气体监测空间的实施压力P、通过示踪气体传感器实时监测内冷水箱是否存在示踪气体，通过以上数据对水内冷发电机线棒水电接头绝缘情况进行在线监测，标准如下：
a、当P＝(0.98-1.02)P1,且1.4P2＜P＜2P2，同时P1>P2时，水电接头绝缘情况良好，机组正常运行；
b、当P2＜P＜1.4P2时，检测内冷水箱是否存在示踪气体，若内冷水箱不存在示踪气体，机组可持续运行，同时缩短监测周期；若内冷水箱存在示踪气体，则水电接头绝缘有劣化趋势，需持续监测观察；
c、当P＝P2＜P1时，若发电机内部H2的纯度(>96％)和H2的湿度(-25℃-0℃)均合格，无论内冷水箱是否存在示踪气体，水电接头绝缘已破坏，需要选择合适时机停机检修；
d、当P＝P2＜P1时，若发电机内部H2的纯度有下降趋势，同时H2的湿度有增加趋势，且内冷水箱存在示踪气体，则示踪气体已泄漏至内冷水通道，同时内冷水已从焊缝裂纹进入示踪气体监测空间，存在内冷水进入发电机的风险，需立即打闸停机，防止事故进一步扩大；
以上判据b为c的早期状态，焊缝裂纹尚且不大，示踪气体的压力略微下降，随着时间的延长将发展为c的状态，最终演变为d的状态。
利用本发明方法，在同一发电集团同型号3个不同电厂600MW机组励端部分线棒水电接头安装气体检测盒及其回路和传感器，A电厂机组运行状态良好。数据如表1所示，满足判据a的要求(机组负荷500MW，示踪气体充入的是SF6)。
表1 A电厂1号机组水电接头绝缘在线监测数据表
B电厂600MW机组运行数据如表2所示(机组负荷600MW)。示踪气体充入的是SF6，观察机组运行，编号2水电接头满足判据b，判定为水电接头绝缘有劣化趋势，编号1和3水电接头满足判据a，待该机组供暖结束后，进行了大修拆端盖处理，经现场发电机定子绕组手包绝缘施加直流电压测量，泄漏电流如表3所示。
表2 B电厂3号机组水电接头绝缘在线监测数据表
表3 B电厂3号机组手包绝缘直流泄漏数据表(施加电压为20kV)
| 水电接头编号 | 1 | 2 | 3 |
| 泄漏电流(μA) | 6 | 469 | 14 |
由上述情况可以清楚的看出，编号为2的水电接头直流泄漏电流已经严重超标，与在线监测数据得到了相互印证。现场打开包裹的绝缘材料，并拆除检测气室，发现焊缝表面有水渍，即内冷水已进入检测气室，但尚未渗出检测气室。
C电厂600MW机组运行数据如表4所示(机组负荷550MW)。示踪气体充入的是SF6，观察机组运行，编号1和2水电接头满足判据a；编号3水电接头满足判据d，水电接头绝缘严重劣化，机组需要打闸停机，经内冷水箱气体检测，存在示踪气体，氢气纯度为95％，氢气湿度由-24℃变为-20℃。经向调度申请后，紧急降负荷停机转检修，拆除端盖经现场发电机定子绕组手包绝缘施加直流电压测量，泄漏电流如表5所示。
表4 C电厂3号机组水电接头绝缘在线监测数据表
表5 C电厂3号机组手包绝缘直流泄漏数据表(施加电压为20kV)
| 水电接头编号 | 1 | 2 | 3 |
| 泄漏电流(μA) | 0 | 1 | 1000 |
由上述情况可以清楚的看出，编号为3的水电接头直流泄漏电流已经严重超标，与在线监测数据得到了相互印证。现场打开包裹的绝缘材料，未拆除检测气室，已发现水电接头表面有铜绿附着物，即内冷水已进入检测气室，并渗出到水电接头表面。
Claims (1)
1.一种基于在线监测装置的水内冷发电机线棒水电接头绝缘在线监测方法；
所述在线监测装置包括发电机线棒水电接头，发电机线棒水电接头的水盒（1）与水盒盖（4）之间有焊缝（12），焊缝（12）外侧设置有沿焊缝布置且覆盖焊缝（12）的气体检测盒（2），气体检测盒（2）的底面与发电机线棒水电接头外表面密封连接，使气体检测盒（2）的内腔构成一个相对密闭的示踪气体监测空间（2a），焊缝（12）全段均位于示踪气体监测空间（2a）覆盖范围内，气体检测盒（2）上连接有用于充入示踪气体和用于监测示踪气体监测空间（2a）内部压力的三通阀（3），三通阀（3）的一个接口与示踪气体监测空间（2a）相连通作为示踪气体进出通道，三通阀（3）的第二个接口作为充气通道，三通阀（3）的第三个接口与压力传感器（6）相连作为示踪气体压力检测通道，电厂DCS系统的输入端与用于监测示踪气体监测空间（2a）内部压力的压力传感器（6）的输出端相连；发电机内冷水箱内设置有用于监测是否存在示踪气体的示踪气体传感器，电厂DCS系统的输入端与示踪气体传感器的输出端相连，其特征在于：
在线监测方法包括以下步骤：
S1，安装在线监测装置
停机状态下，将气体检测盒（2）沿发电机线棒水电接头的水盒（1）与水盒盖（4）之间的焊缝（12）密封固定，形成一个相对密闭的示踪气体监测空间（2a），焊缝（12）全段均位于示踪气体监测空间（2a）覆盖范围内，气体检测盒（2）上连接有用于充入示踪气体和用于监测示踪气体监测空间（2a）内部压力三通阀（3），三通阀（3）的一个接口与示踪气体监测空间（2a）相连通作为示踪气体进出通道，三通阀（3）的第二个接口作为充气通道，三通阀（3）的第三个接口与压力传感器（6）相连作为示踪气体压力检测通道，电厂DCS系统的输入端与用于监测示踪气体监测空间（2a）内部压力的压力传感器（6）的输出端相连；
S2，设置示踪气体监测空间初始压力
将充气通道所在三通阀接口通过充气管路（17）与示踪气体气源（15）相连，调节三通阀，使示踪气体进出通道与充气通道连通，往示踪气体监测空间（2a）内充入示踪气体，通过电厂DCS系统调取机组运行时发电机线棒水电接头外部H2的压力P1，通过压力传感器读取充入示踪气体后示踪气体监测空间（2a）内部压力P0，持续往示踪气体监测空间内充入示踪气体，使得P0=P1后，调节三通阀，使示踪气体进出通道与充气通道关闭，同时示踪气体进出通道与示踪气体压力检测通道导通，拆下充气管路（17）以及气源，完成示踪气体监测空间初始压力的设置；
S3，在线监测
机组运行，电厂DCS系统实时读取发电机线棒水电接头外部H2的压力P1、H2的纯度、H2的湿度、内冷水压力P2，同时通过压力传感器（6）读取示踪气体监测空间的实施压力P、通过示踪气体传感器实时监测内冷水箱是否存在示踪气体，通过以上数据对水内冷发电机线棒水电接头绝缘情况进行在线监测，标准如下：
a、当P=（0.98-1.02）P1,且1.4 P2＜P＜2P2，同时P1>P2时，水电接头绝缘情况良好，机组正常运行；
b、当P2＜P＜1.4 P2时，检测内冷水箱是否存在示踪气体，若内冷水箱不存在示踪气体，机组可持续运行，同时缩短监测周期；若内冷水箱存在示踪气体，则水电接头绝缘有劣化趋势，需持续监测观察；
c、当P= P2＜P1时，若发电机内部H2的纯度和H2的湿度均合格，无论内冷水箱是否存在示踪气体，水电接头绝缘已破坏，需要选择合适时机停机检修；
d、当P= P2＜P1时，若发电机内部H2的纯度有下降趋势，同时H2的湿度有增加趋势，且内冷水箱存在示踪气体，则示踪气体已泄漏至内冷水通道，同时内冷水已从焊缝裂纹进入示踪气体监测空间，存在内冷水进入发电机的风险，需立即打闸停机，防止事故进一步扩大。
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