水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣降低原因分析及處理

孟利平，張秀平，賈玉峰

（云南大唐國際電力有限公司，云南 昆明 650011）

0 前言

某水電廠安裝三臺(tái)3×100 MW的立式水輪發(fā)電機(jī)，為地下廠房，水輪機(jī)額定水頭340 m，額定轉(zhuǎn)速428.6 r/min，制造廠為哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司；發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF100－14/5350，為立軸懸式、三相、密閉循環(huán)空冷發(fā)電機(jī)，制造廠為重慶水輪機(jī)廠有限責(zé)任公司。該水電廠機(jī)組為國內(nèi)為數(shù)不多的高水頭、高轉(zhuǎn)速電站，計(jì)劃于2009年12月三臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，在投產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子絕緣存在異?，F(xiàn)象。

1 三臺(tái)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣異常情況

該電站2號(hào)機(jī)于2009年12月做完首次開機(jī)、動(dòng)平衡、瓦溫考驗(yàn)等試驗(yàn)后，開始做過速試驗(yàn)，當(dāng)機(jī)組過速試驗(yàn)達(dá)到141.34%時(shí)機(jī)組振動(dòng)、擺度嚴(yán)重超標(biāo)，緊急停機(jī)后檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁軛壓板在切向有位移、磁軛和磁極之間有徑向位移、磁軛合縫處壓板的拉桿銷處焊縫有開裂等現(xiàn)象，過速試驗(yàn)沒有達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)要求。之后對(duì)2號(hào)機(jī)組進(jìn)行了簡(jiǎn)單處理，處理后機(jī)組進(jìn)行開機(jī)試驗(yàn)，空轉(zhuǎn)狀態(tài)下機(jī)組各項(xiàng)參數(shù)正常，當(dāng)勵(lì)磁電壓加至70%時(shí)，轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地報(bào)警（轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地報(bào)警值為10 kΩ，低報(bào)警值為5 kΩ），保護(hù)裝置上顯示接地點(diǎn)為8%左右的位置，停機(jī)檢查后沒有發(fā)現(xiàn)異常部位?？紤]到機(jī)組振動(dòng)、過速試驗(yàn)不合格，因此對(duì)機(jī)組在機(jī)械性能方面進(jìn)行改造，在改造的同時(shí)處理轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地報(bào)警檢查處理。

鑒于機(jī)組在過速試驗(yàn)時(shí)，機(jī)械性能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，2009年12月22日，組織了一次由東方電機(jī)廠、哈爾濱電機(jī)廠相關(guān)專家組成的現(xiàn)場(chǎng)咨詢會(huì)，對(duì)機(jī)組機(jī)械性能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了分析，并建議對(duì)上下?lián)躏L(fēng)板、上下導(dǎo)軸承進(jìn)行改造，對(duì)轉(zhuǎn)子磁軛壓緊和拉緊螺桿進(jìn)行更換，對(duì)轉(zhuǎn)子平衡塊重新布置，并對(duì)支撐部件的剛度及頻率進(jìn)行重新計(jì)算，隨后對(duì)機(jī)組進(jìn)行了上述方面的改造。在機(jī)組改造的同時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地進(jìn)行了檢查，當(dāng)時(shí)分析認(rèn)為是阻尼繞組的阻尼環(huán)的邊角距離線圈過近造成的，因此將阻尼環(huán)的該邊角切除。

2010年5月20 日左右，2號(hào)機(jī)組改造完畢，在進(jìn)入72 h運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地報(bào)警，轉(zhuǎn)子絕緣低于10 kΩ，停機(jī)進(jìn)行檢查，沒有找到具體部位，測(cè)量轉(zhuǎn)子整體絕緣只有8 kΩ，將轉(zhuǎn)子下?lián)躏L(fēng)板拆除，清理轉(zhuǎn)子磁極下引線接線處的灰塵，絕緣上升到16 kΩ，將轉(zhuǎn)子滑環(huán)附近的碳粉進(jìn)行清理，測(cè)量轉(zhuǎn)子絕緣到60 kΩ，繼續(xù)清理轉(zhuǎn)子滑環(huán)，轉(zhuǎn)子整體絕緣上升到0.6 MΩ。5月23日將轉(zhuǎn)子滑環(huán)和轉(zhuǎn)子線圈解開測(cè)量，測(cè)量轉(zhuǎn)子滑環(huán)絕緣電阻為0.6 MΩ，轉(zhuǎn)子線圈絕緣超過40 MΩ，分析認(rèn)為滑環(huán)絕緣降低為主要原因，轉(zhuǎn)子線圈絕緣降低為次要原因，因此主要對(duì)滑環(huán)進(jìn)行清洗，同時(shí)將轉(zhuǎn)子磁極引線包扎不到位的情況刷環(huán)氧絕緣漆。處理完畢后轉(zhuǎn)子整體絕緣上升到14 MΩ以上，5月25日晚開機(jī)并網(wǎng)進(jìn)入72 h。進(jìn)入72 h后，保護(hù)裝置顯示轉(zhuǎn)子絕緣逐漸下降。72 h結(jié)束后的5月31日03∶37，2號(hào)機(jī)第二次報(bào)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地（9.684 kΩ）；6月5日16∶06第三次報(bào)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地（7.561kΩ）。6月7日12∶02第四次報(bào)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地（7.757kΩ），之后利用電網(wǎng)停機(jī)的機(jī)會(huì)，對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了清掃，但是效果不明顯。6月27日中午，2號(hào)機(jī)組絕緣下降到2kΩ以下，申請(qǐng)調(diào)度停機(jī)，對(duì)滑環(huán)進(jìn)行清掃，清掃完畢后轉(zhuǎn)子整體絕緣上升到14 MΩ以上，但是開機(jī)后幾天，絕緣再次下降到50 kΩ左右，7月2日下午15∶00多，絕緣突然下降到5 kΩ左右，為此多次清掃轉(zhuǎn)子滑環(huán)，清掃后絕緣電阻一般都上升到5 MΩ以上，但是運(yùn)行幾天后絕緣電阻再次降低到報(bào)警值。

1號(hào)機(jī)組在2010年5月底改造完畢后，對(duì)機(jī)組進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)后開機(jī)運(yùn)行。6月5日，1號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣值開始降低，6月22日，由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣不足2 kΩ，1號(hào)機(jī)組停機(jī)處理。

3號(hào)機(jī)組于2010年6月初停機(jī)進(jìn)行改造，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子改造過程中，多次出現(xiàn)轉(zhuǎn)子絕緣降低至零的情況。6月24日對(duì)拆下的各轉(zhuǎn)子磁極通過短路加熱處理，之后測(cè)量絕緣電阻都在500 MΩ以上，1 min 2 500 V耐壓通過。26日各磁極掛上轉(zhuǎn)子并連接好后，測(cè)量轉(zhuǎn)子線圈絕緣只有0.1 MΩ，經(jīng)檢查后確認(rèn)線圈受潮，26日晚加熱處理，至27日晚加熱完畢，在熱態(tài)下測(cè)量轉(zhuǎn)子整體絕緣在5 MΩ以上。27日測(cè)量轉(zhuǎn)子絕緣在50 MΩ以上，之后開始處理轉(zhuǎn)子各部位絕緣包扎工作。7月1日晚測(cè)量轉(zhuǎn)子絕緣正常，7月2日上午08：00在轉(zhuǎn)子整體耐壓試驗(yàn)前測(cè)量轉(zhuǎn)子線圈絕緣為1 MΩ，之后進(jìn)行1 min的2 500 V耐壓試驗(yàn)通過，耐壓試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)量轉(zhuǎn)子整體絕緣為零，檢查發(fā)現(xiàn)第3、4個(gè)磁極之間的支撐件與磁極繞組之間擊穿。拆除該支撐件后絕緣為0.75 MΩ。

2 轉(zhuǎn)子絕緣降低原因的簡(jiǎn)單分析

通過1、2號(hào)機(jī)組運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)子絕緣情況，結(jié)合3號(hào)發(fā)電機(jī)在改造過程中發(fā)現(xiàn)的絕緣配合問題，分析認(rèn)為該電站發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣存在一系列問題。

2.1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子滑環(huán)絕緣

滑環(huán)絕緣下降主要有兩點(diǎn)原因：一是碳刷粉過多。主要原因是碳刷質(zhì)量不好，從實(shí)際運(yùn)行情況看，原配型號(hào)D172碳刷的偏軟，碳刷軟硬度與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不配合，造成摩擦過度，碳粉過多，而且該型號(hào)碳刷的碳粉顆粒度比較大。由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子滑環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)采用自然冷卻，機(jī)組運(yùn)行時(shí)沒有冷卻風(fēng)，這些運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的碳粉就散落并堆積在滑環(huán)、刷架及相應(yīng)的支撐件上，隨著碳粉堆積，滑環(huán)與大軸及支撐件之間絕緣距離逐漸降低，如圖1、2所示。另外，碳刷粉過多還與滑環(huán)表面加工粗糙、以及發(fā)電機(jī)上機(jī)架振動(dòng)擺度過大造成碳刷跳動(dòng)大有很大關(guān)系。以及上機(jī)架油槽滲油等有關(guān)，滲出的透平油揮發(fā)并粘到滑環(huán)等部位，碳刷粉和油污混合，造成碳粉進(jìn)一步堆積。

二是滑環(huán)結(jié)構(gòu)間隙不符合實(shí)際運(yùn)行要求。如圖3及圖4所示：左側(cè)兩個(gè)滑環(huán)為一極，右側(cè)兩個(gè)滑環(huán)為一極。每極兩個(gè)滑環(huán)之間距離為53 mm，中間兩個(gè)滑環(huán)與轉(zhuǎn)子大軸固定件之間的距離只有12 mm，總的距離也是53 mm。當(dāng)碳粉堆積過多，固定件和上下滑環(huán)的有效絕緣距離降低，引起轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障。

圖1 運(yùn)行不足半個(gè)月的滑環(huán)各處堆積的碳粉

圖2 運(yùn)行不足半個(gè)月的滑環(huán)各處堆積的碳粉

圖3 設(shè)計(jì)的滑環(huán)結(jié)構(gòu)圖

圖4 滑環(huán)實(shí)際結(jié)構(gòu)

2.2 轉(zhuǎn)子磁極絕緣

引起轉(zhuǎn)子磁極絕緣降低有以下幾點(diǎn)原因：一是發(fā)電機(jī)內(nèi)部沒有安裝除塵器。剎車制動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的灰塵，以及其他情況下產(chǎn)生的灰塵，在機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下四處飛逸并散落，由于轉(zhuǎn)子磁極引線附近就是下?lián)躏L(fēng)板，該處屬于死角部位，因此磁極引線附近散落的灰塵比較多，其它部位如發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子線圈表面等。如果絕緣表面灰塵長(zhǎng)時(shí)間堆積，會(huì)引起絕緣降低，甚至影響絕緣材料的壽命。

二是轉(zhuǎn)子磁極引線引出部位絕緣處理不當(dāng)。重水廠的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極引線伸出部位沒有包扎過渡絕緣，直接以裸銅排引出，機(jī)組安裝時(shí)引線根部的絕緣包扎不規(guī)范，直接以云母帶包扎，包扎完畢后在表面涂一層環(huán)氧樹脂及絕緣漆。尤其是2號(hào)機(jī)組，有些磁極引線根部沒有包扎到位，能看到有很長(zhǎng)的裸銅排沒有包扎，另外，引線銅排和鐵心之間只有一個(gè)絕緣墊板（大約8 mm），如果引線包扎不到位，而且該處是死角，容易堆積灰塵，灰塵在鐵心和引線之間起到搭橋作用，引起絕緣降低，造成轉(zhuǎn)子接地故障。該問題在2號(hào)機(jī)組72 h運(yùn)行時(shí)也同廠家溝通過，但是廠家只是把2號(hào)機(jī)組引線部分刷環(huán)氧膠，2號(hào)機(jī)組沒有徹底處理；3號(hào)機(jī)組改造時(shí)吸取了這方面的教訓(xùn)，但是3號(hào)機(jī)組引線包扎仍然不規(guī)范。如圖5所示。

圖5 3號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)子磁極下引線

三是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣材料浸漆工藝處理存在問題。3號(hào)機(jī)組改造時(shí)，23日轉(zhuǎn)子磁極加熱后測(cè)量絕緣都在500 MΩ，1分鐘交流耐壓2 500 V通過。26日上午測(cè)量絕緣時(shí)，轉(zhuǎn)子整體絕緣下降到0.1 MΩ，判斷磁極受潮，晚進(jìn)行加熱處理，27日加熱完畢后絕緣合格，但是過幾天后絕緣又下降到不足1 MΩ。7月2日早發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子耐壓前整體絕緣只有1 MΩ。說明轉(zhuǎn)子絕緣材料浸漆工藝方面存在一定的問題，造成轉(zhuǎn)子絕緣質(zhì)量不可靠，抗潮性差。

四是磁極的鐵心和繞組間隙沒有徹底處理。按照重水設(shè)計(jì)，磁極鐵心和繞組之間以8 mm左右厚的絕緣板作為主絕緣，在絕緣板和鐵心之間的間隙，每隔一段間隙用多塊薄環(huán)氧板塞緊，防止機(jī)組運(yùn)行時(shí)鐵心和繞組發(fā)生相對(duì)運(yùn)行產(chǎn)生位移。如下圖6所示。

圖6 磁極結(jié)構(gòu)

實(shí)際上，由于絕緣板和鐵心之間的間隙沒有完全用環(huán)氧板塞緊，機(jī)組長(zhǎng)期高速運(yùn)行后，加上機(jī)組振擺的影響，所塞的環(huán)氧板會(huì)發(fā)生移動(dòng)或滑動(dòng)，最終會(huì)導(dǎo)致鐵心和繞組之間存在間隙而在機(jī)組運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)行，尤其是在機(jī)組啟停的時(shí)候，此時(shí)作為主絕緣的環(huán)氧板會(huì)受到摩擦而損壞，導(dǎo)致磁極主絕緣受損。

2.3 油污影響

由于發(fā)電機(jī)上導(dǎo)、下導(dǎo)油槽密封不嚴(yán)滲油，這些油污在機(jī)組運(yùn)行時(shí)由于溫度和風(fēng)的影響發(fā)生揮發(fā)，吸附在設(shè)備的表面，尤其是在發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子線圈和鐵芯表面，油污比較多，灰塵也更容易吸附在這些部位。這些油和灰塵的混合物使定轉(zhuǎn)子線圈表面更容易臟污、受潮，導(dǎo)致絕緣下降，甚至影響絕緣材料的使用壽命。另外，發(fā)電機(jī)滑環(huán)處的油污也比較多，導(dǎo)致滑環(huán)處碳粉堆積更加嚴(yán)重，進(jìn)一步降低該處的絕緣強(qiáng)度。

2.4 機(jī)組振擺度超標(biāo)

機(jī)組各處的振擺超標(biāo)，導(dǎo)致機(jī)組滑環(huán)處振擺超標(biāo)，碳刷振動(dòng)增加，非正常磨損增加；另外，機(jī)組振擺超標(biāo)，發(fā)電機(jī)磁極的鐵心和繞組相對(duì)振動(dòng)增加，對(duì)發(fā)電機(jī)絕緣也很不利，應(yīng)盡量降低機(jī)組的振擺數(shù)據(jù)。

3 問題處理及預(yù)防措施

（1）利用機(jī)組停機(jī)期間，將原型號(hào)為D172的碳刷更換為圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的D252碳刷，從實(shí)際運(yùn)行情況看，D252碳刷的情況比D172碳刷稍微好一點(diǎn)，但是仍然存在碳刷粉比較多、碳刷粉顆粒度比較大的情況，為此又更換為國外進(jìn)口上海摩根碳刷生產(chǎn)的NCC634碳刷，效果總體比較好。

（2）改造發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子滑環(huán)結(jié)構(gòu)，將每極兩個(gè)滑環(huán)之間的距離縮小為24 mm，中間兩滑環(huán)與中間固定件之間的距離增加到32 mm，改造完畢后，正負(fù)極碳刷架對(duì)地絕緣距離增加。

（3）加工滑環(huán)表面，將滑環(huán)表面重新刨光。拋光滑環(huán)表面后，碳刷與滑環(huán)的摩擦力減小，減少了碳粉。

（4）在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極引線根部刷環(huán)氧漆增加絕緣強(qiáng)度，利用3號(hào)機(jī)組改造機(jī)會(huì)將3號(hào)機(jī)組的磁極引線包扎到根部，并刷環(huán)氧漆增加絕緣強(qiáng)度，1、2號(hào)機(jī)組暫時(shí)刷環(huán)氧漆增加絕緣強(qiáng)度。

（5）在發(fā)電機(jī)風(fēng)洞內(nèi)安裝吸塵器，減少風(fēng)洞內(nèi)發(fā)電機(jī)剎車板摩擦產(chǎn)生的灰塵，提高轉(zhuǎn)子磁極引線處的絕緣強(qiáng)度。

（6）處理發(fā)電機(jī)上導(dǎo)油室的密封，減少滲油。

4 結(jié)束語

從三臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣降低原因分析、處理過程來看，發(fā)電機(jī)制造廠在設(shè)計(jì)高轉(zhuǎn)速、高水頭機(jī)組過程中，需要更多地了解、考慮現(xiàn)場(chǎng)濕度大、通風(fēng)不好等惡劣運(yùn)行環(huán)境對(duì)水輪機(jī)運(yùn)行的影響。另外，制造廠家應(yīng)嚴(yán)格按照合同要求及國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、制造。不應(yīng)為了降低設(shè)備制造費(fèi)用，采取降造措施。采取降造措施，將有可能造成設(shè)備不正常運(yùn)行，從而將花費(fèi)更多現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)費(fèi)用，影響機(jī)組投運(yùn)工期，對(duì)制造企業(yè)和業(yè)主來說，都是不可取的。

[1]Q/CDT 107 001-2005電力設(shè)備交接和預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程[S].中國大唐集團(tuán)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。