水輪發(fā)電機(jī)勵磁回路接地故障分析與處理

朱躍亮

（浙能華光潭水力發(fā)電有限公司，浙江 臨安 311322）

華光潭梯級水電站地處浙江省臨安龍崗鎮(zhèn)，位于分水江干流昌化江上游的巨溪上，電站總裝機(jī)容量85 MW，其中一級電站裝機(jī)2×30 MW，二級電站裝機(jī)2×12.5 MW。

華光潭一級電站水輪發(fā)電機(jī)型號為SF30-12/3520，發(fā)電機(jī)采用具有上下兩個導(dǎo)軸承的立軸懸式機(jī)構(gòu)，推力軸承置于上導(dǎo)軸承的油槽內(nèi)。勵磁方式為自并激靜止可控勵磁，額定勵磁電流680 A，電刷數(shù)量9對，發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速500 r/min。

水電站自2004年5月投產(chǎn)發(fā)電以來，多次發(fā)生發(fā)電機(jī)勵磁回路轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障，嚴(yán)重影響了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，增加了機(jī)組強(qiáng)迫停運(yùn)次數(shù)，加大了設(shè)備的檢修維護(hù)強(qiáng)度。通過對機(jī)組的結(jié)構(gòu)和故障現(xiàn)象的分析，查找故障產(chǎn)生的原因，采取相應(yīng)的處理措施以后，有效地控制了故障的發(fā)生。

1 勵磁回路接地故障主要原因

1.1 勵磁系統(tǒng)交直流回路絕緣破壞

如某日3號機(jī)發(fā)生 “轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障”，檢查發(fā)現(xiàn)是集電環(huán)到轉(zhuǎn)子線圈穿過轉(zhuǎn)子大軸中心的勵磁橡皮電纜在彎頭處破損，線芯接觸大軸產(chǎn)生接地，接地點(diǎn)如圖1所示。這類接地故障現(xiàn)象初期表現(xiàn)為發(fā)電機(jī)偶爾發(fā)生瞬時接地，停機(jī)后絕緣正常。隨著勵磁橡皮電纜破損程度增加，可轉(zhuǎn)為永久接地。

又如某日勵磁系統(tǒng)投運(yùn)時，3號機(jī)發(fā)生“轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障”，檢查發(fā)現(xiàn)是勵磁變低壓側(cè)到功率柜的B相引線電纜破損接地引起的，表現(xiàn)為機(jī)組勵磁建壓后有轉(zhuǎn)子接地故障信號，但停機(jī)時檢查不出轉(zhuǎn)子回路絕緣問題。

1.2 碳粉污染滑環(huán)部位

接地故障的原因是由于碳粉在發(fā)電機(jī)勵磁回路的集電環(huán)和集電環(huán)支架間的隔離絕緣圈上堆積形成接地通道，經(jīng)大軸接地電刷接地。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子碳粉堆積位置如圖2所示。此類故障易重復(fù)發(fā)生，以下分別從1號發(fā)電機(jī)的罩殼內(nèi)部油霧情況、集電環(huán)光潔度、電刷材質(zhì)、機(jī)組擺度、電刷數(shù)量等方面重點(diǎn)分析產(chǎn)生碳粉堆積的原因。

圖1 轉(zhuǎn)子勵磁引線布置圖

圖2 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子碳粉堆積位置

2 碳粉污染源分析

2.1 推力油槽油霧的影響

以1號發(fā)電機(jī)為例，和A級檢修前相比電刷硬度較低，連續(xù)運(yùn)行的時間較短，電刷數(shù)量沒有改變，卻連續(xù)2次出現(xiàn)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障。就現(xiàn)場情況看，下集電環(huán)光潔度明顯比上集電環(huán)光潔度差，碳粉堆積也明顯比上集電環(huán)多，并且呈油膩結(jié)塊狀。一方面由于A級檢修后推力油槽油位較高，和平時相比推力油槽油位高出5 cm。另一方面由于發(fā)電機(jī)推力油槽蓋板和轉(zhuǎn)動的發(fā)電機(jī)大軸間隙采用羊毛氈隔離。這增加了從固定的推力油槽蓋板和轉(zhuǎn)動的發(fā)電機(jī)大軸間隙排出的油霧和從推力油槽呼吸孔排出的油霧，油霧與碳粉結(jié)合容易在隔離絕緣圈上堆積附著。

2.2 集電環(huán)光潔度的影響

1號機(jī)A級檢修累計(jì)發(fā)電472 h后，出現(xiàn)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障。經(jīng)檢查，下集電環(huán)表面發(fā)暗，并有明顯的劃痕，引起這一現(xiàn)象的主要原因，應(yīng)是下集電環(huán)更接近發(fā)電機(jī)推力油槽，帶油霧的碳粉粘結(jié)在集電環(huán)上，增大環(huán)火，導(dǎo)致集電環(huán)表面溫度升高，電刷磨損加劇，隔離絕緣圈碳粉積聚速度增加。

2.3 電刷材質(zhì)和數(shù)量的影響

電刷的材質(zhì)包括洛氏硬度、電阻系數(shù)、摩擦系數(shù)等。華光潭梯級電站電刷的主要技術(shù)指標(biāo)見表1。電刷和集電環(huán)之間，電刷材質(zhì)硬了，集電環(huán)磨損嚴(yán)重；電刷材質(zhì)軟了，電刷磨損厲害，碳粉多。需要電刷和集電環(huán)之間不斷選型磨合[1]。1號發(fā)電機(jī)自2005年10月投產(chǎn)發(fā)電以來，由于集電環(huán)磨損較嚴(yán)重，于2009年5月27日更換了電刷的型號，更換后累計(jì)發(fā)電運(yùn)行時間1 109 h，轉(zhuǎn)子絕緣情況正常。

表1 華光潭梯級電站S27和D172電刷的主要技術(shù)指標(biāo)

更換前電刷型號為樂清某電碳廠 D172 T6，更換后碳刷型號為上海某電碳廠S27-T6。1號機(jī)設(shè)計(jì)電刷共9對，按額定電流密度（10 A/cm2）計(jì)算，每只電刷額定通流80 A，發(fā)電機(jī)的額定勵磁電流為680 A，而實(shí)際運(yùn)行時發(fā)電機(jī)的勵磁電流約500 A左右，電刷數(shù)量已能滿足要求。

2.4 機(jī)組擺度的影響

正常情況下，機(jī)組擺度也是電刷磨損增加的原因之一。更換1號機(jī)電刷后測試機(jī)組擺度數(shù)據(jù)：機(jī)組空載時，推力頭擺度0.20 mm；機(jī)組負(fù)載P＝29.85 MW，Q＝3.10 Mvar時，推力頭擺度0.20 mm；運(yùn)行1年后機(jī)組負(fù)載P＝29.84 MW，Q＝3.96 Mvar時，推力擺度0.25 mm。前后數(shù)據(jù)變化不大，機(jī)組擺度應(yīng)不是電刷磨損的主要原因。

綜上所述，華光潭1號發(fā)電機(jī)多次發(fā)生勵磁回路接地故障，罩殼內(nèi)部油霧增多和集電環(huán)表面劃痕造成電刷磨損加劇，碳粉在隔離絕緣圈堆積速度加快是主要原因。

3 防止接地故障的方法

直流回路瞬時接地的故障點(diǎn)比較隱蔽，不易查找。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地短時間仍可運(yùn)行，但如果處理不及時，一旦發(fā)生兩點(diǎn)接地，對轉(zhuǎn)子危害就很大[2]。初期判斷接地時，可用直流電焊機(jī)，手動加勵磁電流，從而判斷接地點(diǎn)是在滅磁開關(guān)回路前還是后，即勵磁調(diào)節(jié)器控制回路接地還是轉(zhuǎn)子本身或回路接地。處理電纜磨損接地故障，可根據(jù)大軸開口尺寸，對破損橡皮電纜用玻璃絲帶層層包扎，層與層之間涂上環(huán)氧樹脂，增加電纜的絕緣，防止電纜磨破。同時要確保電纜在轉(zhuǎn)子大軸上下孔洞內(nèi)部不要晃動。

對因碳粉污染形成的重復(fù)接地故障，處理相對麻煩。為減少罩殼內(nèi)部油霧和電刷的磨損，可采取以下處理辦法：

（1）在停機(jī)過程中機(jī)組轉(zhuǎn)速下降到50%額定轉(zhuǎn)速時，在下集電環(huán)刷握兩端用金相砂皮緊貼集電環(huán)利用機(jī)組剩余速度打磨下集電環(huán)（如圖3所示），每次打磨時間為2.5 min。消除集電環(huán)上的毛刺，提高集電環(huán)的光潔度。

（2）盡可能降低推力油槽油位，臨時用軟皮管把推力油槽呼吸孔接到發(fā)電機(jī)罩殼外部，減少罩殼內(nèi)部油霧。

（3）定時在風(fēng)洞內(nèi)對換1號機(jī)轉(zhuǎn)子的勵磁正負(fù)極引線，減少電刷在勵磁電流作用下的電氣磨損和機(jī)械磨損。

（4）加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)，增加轉(zhuǎn)子回路清掃頻率。

圖3 打磨集電環(huán)

4 結(jié)語

華光潭梯級水電站投運(yùn)以來多次發(fā)生發(fā)電機(jī)勵磁回路接地故障，分析認(rèn)為碳刷磨損的碳粉污染是主要原因，除了文中提出的處理措施外，把固定在推力油槽蓋板和轉(zhuǎn)動的發(fā)電機(jī)大軸迷宮間隙的羊毛氈密封改為新型材料的硬接觸式油檔，也能進(jìn)一步減少罩殼內(nèi)油霧，有效減少碳粉污染造成的絕緣故障，從而徹底解決發(fā)電機(jī)勵磁回路絕緣下降的問題。

[1]李基成.現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京∶中國電力出版社，2002.

[2]王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用[M].北京∶中國電力出版社，1996.