水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子絕緣下降的原因分析及處理

鄧惠君

(國電新疆開都河流域水電開發(fā)有限公司，新疆 庫爾勒 841000)

水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子絕緣下降的原因分析及處理

鄧惠君

(國電新疆開都河流域水電開發(fā)有限公司，新疆 庫爾勒 841000)

詳細(xì)闡述了碳粉油泥形成的原因、引起轉(zhuǎn)子絕緣下降的原理，以及絕緣下降帶來的危害，并通過多種方法加以處理，解決了因碳粉油泥引起的絕緣下降快的難題，為有此類問題的發(fā)電機(jī)組以及大型電機(jī)提供了解決方案。

發(fā)電機(jī)組；集電環(huán)；碳粉；絕緣下降；原因

0 引言

水輪發(fā)電機(jī)組的集電環(huán)是將勵(lì)磁電流導(dǎo)向轉(zhuǎn)子線圈的接線端，作為高速滑動(dòng)的接觸部件，其與碳刷的滑動(dòng)接觸勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致碳刷的磨損，而磨損形成的碳粉會(huì)附著在集電環(huán)上，當(dāng)碳粉在集電環(huán)的絕緣部位不斷積聚時(shí)，就會(huì)引起轉(zhuǎn)子絕緣的下降。許多電廠由于種種原因會(huì)有集電環(huán)碳刷磨損嚴(yán)重、碳粉較多的問題，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子絕緣下降快，不得不被迫停機(jī)處理碳粉。本廠3臺(tái)機(jī)組均有此類問題，每臺(tái)機(jī)每季度清掃一次碳粉，針對(duì)此種情況，經(jīng)過分析試驗(yàn)，提出減緩轉(zhuǎn)子絕緣下降快的措施。

1 本廠機(jī)組相關(guān)設(shè)備介紹

本廠機(jī)組為懸式機(jī)組，機(jī)組有推力軸承、上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承、水導(dǎo)軸承4道軸承，發(fā)電機(jī)部分有上風(fēng)洞、風(fēng)洞、下風(fēng)洞的區(qū)別，上風(fēng)洞為上機(jī)架向上至推力油槽底部，空間比較狹小，其中集電環(huán)就處于上風(fēng)洞中，集電環(huán)上部為推力油槽，下部為上導(dǎo)油槽。集電環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 集電環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖

集電環(huán)通過支撐環(huán)套在機(jī)組大軸上，上下導(dǎo)電滑環(huán)通過絕緣套管和絕緣子固定在支撐環(huán)上，并與支撐環(huán)絕緣；正負(fù)極各有21個(gè)碳刷，分別分布在正負(fù)極的刷架上，刷架通過絕緣套管和絕緣子固定在支撐桿上，并與支撐桿絕緣；支撐桿固定在上風(fēng)洞頂部，正負(fù)極轉(zhuǎn)子引線頭分別固定在上下導(dǎo)電滑環(huán)上。

2 存在的問題

轉(zhuǎn)子絕緣下降的原因有很多種，而碳粉油泥引起的絕緣下降最為常見，且具有反復(fù)性。油泥碳粉往往堆積在集電環(huán)上，附著在絕緣部位引起絕緣降低，油泥碳粉長時(shí)間的堆積甚至還會(huì)滲入到絕緣材料中，破壞絕緣材料并造成絕緣降低。同理，碳刷刷架支撐桿上的絕緣也會(huì)受到碳粉油泥的影響而使轉(zhuǎn)子絕緣降低。為此有的電廠甚至不得不每月停機(jī)一次去處理集電環(huán)上的油污和碳粉，本廠也有碳粉油泥引起轉(zhuǎn)子絕緣下降快的問題，并為此多次分析原因?qū)ふ姨幚淼姆椒ā?/p>

3 引起集電環(huán)油泥碳粉積聚的原因

集電環(huán)上油泥、碳粉的積聚是由多方面原因形成的：

(1) 造成碳粉多的原因：碳刷材質(zhì)軟；卡簧彈力過大：集電環(huán)接觸面不光滑；集電環(huán)為橢圓或圓心不在旋轉(zhuǎn)中心上。

(2) 油霧污染集電環(huán)的原因：集電環(huán)所處的位置附近有油槽，且環(huán)境較封閉、空氣流通不暢、溫度高，油槽密封性不好、滲油等多種原因疊加，導(dǎo)致油霧與碳粉混合更容易附著在集電環(huán)上，加速轉(zhuǎn)子絕緣的下降。

4 集電環(huán)臟污引起轉(zhuǎn)子絕緣降低的原理

集電環(huán)安裝在機(jī)組大軸上，通過絕緣子將集電環(huán)的導(dǎo)電滑環(huán)與大軸隔離開來，機(jī)組在旋轉(zhuǎn)過程中，由于離心力作用，碳粉會(huì)附著在集電環(huán)和絕緣子靠近大軸的內(nèi)側(cè)，并且轉(zhuǎn)子線圈正負(fù)極的引線頭表面和刷架支撐桿絕緣子也極易積聚碳粉和油污，再加上油霧的影響使得碳粉更加容易附著，當(dāng)碳粉在絕緣子和引線頭表面上積聚較多時(shí)，使得集電環(huán)導(dǎo)電部分與大軸、上機(jī)架之間的泄漏電流增加，轉(zhuǎn)子絕緣下降。而當(dāng)碳刷磨損嚴(yán)重碳粉較多、油霧較大時(shí)，碳粉積聚就會(huì)加快，轉(zhuǎn)子絕緣就會(huì)加速降低。為了不發(fā)生事故，當(dāng)轉(zhuǎn)子絕緣下降到一定值時(shí)就必須停機(jī)清理碳粉，如果不解決上述問題，勢(shì)必會(huì)給機(jī)組的正常發(fā)電運(yùn)行帶來影響。

5 碳粉油泥引起轉(zhuǎn)子絕緣降低帶來的危害

(1) 碳粉油泥引起轉(zhuǎn)子接地故障或保護(hù)跳機(jī)。當(dāng)轉(zhuǎn)子絕緣降低到一定值時(shí)，可能會(huì)引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路一點(diǎn)接地，出現(xiàn)一點(diǎn)接地后，由于故障點(diǎn)此時(shí)無接地電流通過，對(duì)發(fā)電機(jī)不造成直接威脅，可繼續(xù)運(yùn)行，當(dāng)轉(zhuǎn)子絕緣電阻繼續(xù)下降時(shí)，可能觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作而停機(jī)。并且轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地后，勵(lì)磁回路對(duì)地電壓升高，更容易引發(fā)第二點(diǎn)接地，則會(huì)將轉(zhuǎn)子部分繞組短接，引起轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)不對(duì)稱，造成機(jī)組劇烈振動(dòng)，同時(shí)由于部分繞組被短接，勵(lì)磁繞組電流相應(yīng)增加，轉(zhuǎn)子亦可能因過熱而損傷，造成機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)并帶來經(jīng)濟(jì)損失。

(2) 碳粉油泥引起集電環(huán)環(huán)火事故。碳粉油泥在引起轉(zhuǎn)子絕緣降低的同時(shí)，當(dāng)較多的油泥和碳粉在刷握和碳刷的間隙周圍積聚時(shí)，可能會(huì)造成個(gè)別碳刷在刷握內(nèi)卡澀，使得碳刷與集電環(huán)之間接觸不良，有可能形成打火現(xiàn)象，而打火現(xiàn)象會(huì)使得集電環(huán)與碳刷的接觸面燒蝕而變得不光滑，當(dāng)集電環(huán)表面被火花侵蝕后，使得集電環(huán)與其他碳刷的接觸電阻也增大，碳刷磨損更加嚴(yán)重，碳刷因接觸電阻增大而發(fā)熱嚴(yán)重，集電環(huán)高溫區(qū)域擴(kuò)大，碳刷更易碎裂或膨脹卡澀，導(dǎo)致打火碳刷增多火花增大；同時(shí)，碳刷打火和電弧的高溫會(huì)造成碳刷的氧化，使得接觸情況不斷惡化，最終形成環(huán)火現(xiàn)象，造成刷架燒毀，集電環(huán)接觸面燒蝕，甚至使絕緣材料碳化短路，機(jī)組被迫解列。環(huán)火事故不僅帶來巨大的設(shè)備損壞，需要較長時(shí)間花費(fèi)資金來檢修恢復(fù)設(shè)備，而且耽誤了機(jī)組正常的發(fā)電，帶來雙重的經(jīng)濟(jì)損失。

6 整改措施

(1) 在大修期間用壓縮空氣吹掃集電環(huán)及碳刷裝置，最好拆卸清理，用干凈白布清掃集電環(huán)、刷架、刷握及碳刷，做到清潔無油污，以防碳粉滯留在間隙里。

(2) 檢查集電環(huán)表面應(yīng)光潔無麻點(diǎn)和凹痕，若不光滑，可拆除集電環(huán)進(jìn)行接觸面車圓；若有麻點(diǎn)和凹痕，當(dāng)凹痕深度大于0.5 mm時(shí)，應(yīng)進(jìn)行研磨處理。

(3) 向后調(diào)整刷握在刷架上的位置，用彈簧測(cè)力計(jì)檢測(cè)卡簧彈力，使卡簧彈力不得超過1.5 kg，這樣一定程度上減少了碳粉的形成。

(4) 在集電環(huán)的絕緣子上、緊挨集電環(huán)的大軸及集電環(huán)的支撐環(huán)上、轉(zhuǎn)子正負(fù)極引線頭上、刷架支撐桿和絕緣子上涂一層絕緣清漆，拉長集電環(huán)導(dǎo)電部分與接地大軸之間的爬電距離，有效減緩轉(zhuǎn)子絕緣的下降。

(5) 在集電環(huán)的絕緣子和刷架支撐桿絕緣子上平滑地纏繞防水膠帶，并在刷架支撐桿上纏繞絕緣熱縮帶，便于以后清理碳粉，也可防止碳粉侵入絕緣子內(nèi)部降低絕緣。

(6) 在集電環(huán)上側(cè)的推力油槽加裝吸油霧裝置，減少油霧外漏到集電環(huán)處，將集電環(huán)下側(cè)的上導(dǎo)油槽端蓋嚴(yán)實(shí)密封，減少油霧外溢和杜絕滲油現(xiàn)象發(fā)生。

(7) 在每年的檢修期測(cè)量碳刷的長度，計(jì)算磨損量，一般1年不超過20 mm(此值為本廠機(jī)組經(jīng)驗(yàn)值，其他機(jī)組不同，一般碳刷的磨損速度在2～6 mm/1 000 h)，如果1年的磨損量超過20 mm，則要分析是不是由于碳刷材質(zhì)過軟造成的，必要時(shí)應(yīng)更換材質(zhì)稍硬的碳刷。

7 處理后帶來的效益

本廠1號(hào)機(jī)組大修期間經(jīng)過上述措施處理后，機(jī)組集電環(huán)碳粉清理工作由原來的每季度1次變?yōu)槊磕?次，大大減少了日常工作量，并提高了機(jī)組的安全性和穩(wěn)定性，降低了機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)以及可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地造成設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)，雖然由碳粉引起的轉(zhuǎn)子絕緣降低的問題困擾著許多電廠，但是通過多種措施多方面的處理，是可以有效預(yù)防轉(zhuǎn)子絕緣快速降低的。此次的處理方法，具有參考應(yīng)用價(jià)值，為有此類問題的發(fā)電機(jī)組以及大型電機(jī)提供了多種渠道的解決方案。

[1]張春，李曉林.水電站微機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置的原理與設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2004(6)

[2]陳倉，曹浩軍.發(fā)電機(jī)集電環(huán)環(huán)火事故分析及預(yù)防[J].熱力發(fā)電，2009(10)

2014-10-30

鄧惠君(1982—)，男，湖南人，助理工程師，研究方向：水力發(fā)電廠設(shè)備運(yùn)行、檢修。