某水電站發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣降低原因分析與處理

瞿 大 林， 肖 啟 露， 李 侯 小， 劉 鵬

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610051)

1 概 述

對于水輪發(fā)電機(jī)而言，當(dāng)其轉(zhuǎn)子回路發(fā)生一點(diǎn)接地故障時(shí)，由于轉(zhuǎn)子繞組沒有形成短路回路，接地點(diǎn)并沒有故障電流，所以并不會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。但是，如果繼續(xù)發(fā)生第二點(diǎn)接地故障，部分轉(zhuǎn)子繞組將被短接，接地點(diǎn)流過的故障電流將燒傷轉(zhuǎn)子本體，部分勵(lì)磁繞組被短接以后氣隙磁場發(fā)生的畸變會造成轉(zhuǎn)子振動(dòng)的加劇。此外，轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地后還可能發(fā)生軸系和汽輪機(jī)的磁化。這些都將嚴(yán)重威脅水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行安全。因此，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣出現(xiàn)降低的情況時(shí)，一定要及時(shí)分析絕緣降低的原因并進(jìn)行處理。

某水電站共安裝8臺立軸式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)額定出力為600 MW，總裝機(jī)出力為4 800 MW。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)采用自并勵(lì)數(shù)字式靜止可控硅勵(lì)磁，發(fā)電機(jī)的額定勵(lì)磁電壓為295 V，額定勵(lì)磁電流為2 770 A，轉(zhuǎn)子磁極對數(shù)為18對。根據(jù)《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》DL/T596—1996要求，采用1 000 V MΩ表測量轉(zhuǎn)子繞組的絕緣電阻值，在室溫時(shí)一般不小于0.5 MΩ。

該水電站發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子支架、磁極、磁軛、轉(zhuǎn)子引線等部分組成，轉(zhuǎn)子磁極共36個(gè)，主要由磁極鐵心、磁極線圈、阻尼繞組等組成。

1.1 轉(zhuǎn)子引線

該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子引線的正負(fù)極分別從#1磁極、#2磁極引出，沿轉(zhuǎn)子支架斜立筋通過轉(zhuǎn)子中心體沿頂軸內(nèi)腔向上到達(dá)集電環(huán)，并分別與集電環(huán)正負(fù)極用螺栓把合。轉(zhuǎn)子引線俯視圖、轉(zhuǎn)子引線剖面圖分別見圖1與圖2。

圖2 轉(zhuǎn)子引線剖面圖

1.2 集電環(huán)

電站集電環(huán)由集電環(huán)支架、集電環(huán)、絕緣套管等組成。集電環(huán)安裝在上端軸上，由周圈同心分布的絕緣螺栓經(jīng)法蘭把合。集電環(huán)裝配有一筒形外罩，該外罩與發(fā)電機(jī)室把合，并與發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)隔絕。集電環(huán)固定在轉(zhuǎn)軸上，隨機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與電刷滑動(dòng)接觸，將勵(lì)磁電流傳遞到轉(zhuǎn)動(dòng)中的勵(lì)磁繞組之中。集電環(huán)俯視圖見圖3。

圖3 集電環(huán)俯視圖

1.3 刷 架

勵(lì)磁電纜正負(fù)極從勵(lì)磁柜內(nèi)引出，分別接至滑環(huán)室內(nèi)刷架正負(fù)極上，用螺栓進(jìn)行把合。刷架正負(fù)極通過整圓上6個(gè)支撐螺栓將刷架正極環(huán)與刷架負(fù)極環(huán)連接并固定，6個(gè)支撐螺栓上均套有絕緣套管進(jìn)行絕緣隔離。刷架支撐螺栓情況見圖4。

圖4 刷架支撐螺栓圖

2 出現(xiàn)的故障

2017年8月，該水電站工作人員在巡檢過程中發(fā)現(xiàn)#1發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置上轉(zhuǎn)子絕緣值在175～220 kΩ之間變化(正常為保護(hù)裝置能顯示的最大值300 kΩ，報(bào)警值為10 kΩ)，接地參考位置α在20%-25%之間變化(正常為50%)。工作人員立即密切監(jiān)視#1發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣情況，并立即排查其余機(jī)組轉(zhuǎn)子絕緣情況，排查情況見表1。

表1 #1～#8機(jī)組轉(zhuǎn)子絕緣電阻及接地位置數(shù)據(jù)表

從表1中發(fā)現(xiàn)，#1、#2發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣在線監(jiān)測電阻值有下降現(xiàn)象，保護(hù)裝置顯示接地位置存在跳變現(xiàn)象。由于保護(hù)裝置的最大顯示值為300 kΩ，后續(xù)將#1～#8發(fā)電機(jī)逐臺停機(jī)后測量轉(zhuǎn)子絕緣并與最近一次測量值進(jìn)行對比，其數(shù)據(jù)見表2。

表2 停機(jī)后測量絕緣與最近一次測量值對比表

從表2中發(fā)現(xiàn)，#1～#8機(jī)組停機(jī)后的測量絕緣值與最近一次測量絕緣值對比均有明顯降低。其中，#1、#2機(jī)組降低最多，且絕緣值已經(jīng)降低至規(guī)程要求以下。

3 故障原因分析

3.1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子受潮

水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境中空氣濕度較大。由于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子絕緣受到空氣中的水分侵蝕，若發(fā)電機(jī)停機(jī)備用時(shí)間過長，就有可能出現(xiàn)絕緣降低的情況。

針對該原因進(jìn)行分析得知：由于該電站機(jī)組年運(yùn)行小時(shí)數(shù)較大，機(jī)組連續(xù)停機(jī)備用時(shí)間較短，且電站規(guī)定一旦機(jī)組連續(xù)停機(jī)備用10 d，就要將機(jī)組開啟至空載運(yùn)行1 h。該電站在發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣有降低趨勢時(shí)，部分機(jī)組處于正常運(yùn)行狀態(tài)，因此排除了該原因。

3.2 油霧影響

水輪發(fā)電機(jī)設(shè)有上導(dǎo)、下導(dǎo)、推力、水導(dǎo)油槽及諸多的油管路。若發(fā)電機(jī)的油槽密封不嚴(yán)，將產(chǎn)生油霧甚至滲油，這些油霧在機(jī)組運(yùn)行時(shí)受環(huán)境溫度和風(fēng)的影響大量發(fā)散并吸附在發(fā)電機(jī)各設(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，從而使灰塵更容易吸附在這些設(shè)備上。這些油和灰塵使轉(zhuǎn)子線圈表面更容易臟污、受潮，進(jìn)而導(dǎo)致絕緣下降。

針對該原因進(jìn)行分析得知：該電站在2017年度檢修工作中，對發(fā)電機(jī)各部位油槽進(jìn)行了嚴(yán)密封閉。在水導(dǎo)軸承蓋板裝配了吸油霧裝置，機(jī)組各部位油霧散發(fā)量在正常范圍內(nèi)，因此而排除了該原因。

3.3 機(jī)組振動(dòng)擺度影響

發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)擺度數(shù)據(jù)是反映發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況的重要依據(jù)之一。當(dāng)發(fā)電機(jī)振動(dòng)和擺度超標(biāo)時(shí)，會導(dǎo)致機(jī)組滑環(huán)處振擺超標(biāo)，碳刷振動(dòng)增加，進(jìn)而導(dǎo)致碳刷磨損增多。另外，機(jī)組振動(dòng)擺度越限，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的鐵芯和繞組相對振動(dòng)增加，對發(fā)電機(jī)絕緣亦很不利。

針對該原因進(jìn)行分析得知：該電站在2017 年度機(jī)組C修時(shí)，對發(fā)電機(jī)進(jìn)行了盤車檢查，調(diào)整了發(fā)電機(jī)軸線以及軸承軸瓦間隙。調(diào)整后的發(fā)電機(jī)各部振動(dòng)及擺度在定值范圍內(nèi)。因此，排除了該原因。

3.4 轉(zhuǎn)子絕緣老化

發(fā)電機(jī)長期連續(xù)運(yùn)行、轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動(dòng)及勵(lì)磁過程中將產(chǎn)生大量的熱量，使轉(zhuǎn)子周圍的溫度大幅度升高。轉(zhuǎn)子的絕緣材料長期處于高溫之下，加速了轉(zhuǎn)子線圈絕緣材料老化、劣化甚至出現(xiàn)局部脫落現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致絕緣電阻降低。

針對該原因進(jìn)行分析得知：從電站水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)各部溫度情況看，發(fā)電機(jī)各軸承瓦溫、定子線圈溫度、空冷器進(jìn)出風(fēng)溫度等均在規(guī)程要求的正常范圍內(nèi)。在年度檢修工作中，該電站全面檢查了轉(zhuǎn)子及其各附屬部件的情況，檢修后測量轉(zhuǎn)子絕緣值正常，故可排除該項(xiàng)為轉(zhuǎn)子絕緣降低的主要原因。

3.5 轉(zhuǎn)子回路設(shè)備絕緣破壞

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)交流、直流回路中若出現(xiàn)電纜絕緣破損、金屬異物接地、轉(zhuǎn)子本體部件破壞等情況時(shí)，都將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子絕緣降低。在這種情況下，監(jiān)控系統(tǒng)偶發(fā)瞬時(shí)接地故障報(bào)警，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致機(jī)組跳閘停機(jī)。

針對該原因進(jìn)行分析得知：該電站機(jī)組雖出現(xiàn)了轉(zhuǎn)子絕緣降低的情況，但未出現(xiàn)轉(zhuǎn)子瞬時(shí)接地故障和機(jī)組跳閘的情況。停機(jī)后對勵(lì)磁系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子回路進(jìn)行全面檢查未發(fā)現(xiàn)電纜絕緣破損、金屬異物接地、轉(zhuǎn)子本體部件破壞等情況。因此，可排除該項(xiàng)原因。

3.6 集電環(huán)碳粉堆積

上述提到，集電環(huán)室中集電環(huán)隨機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與電刷滑動(dòng)接觸，將勵(lì)磁電流傳遞到轉(zhuǎn)動(dòng)中的勵(lì)磁繞組之中。集電環(huán)與電刷之間的滑動(dòng)摩擦?xí)纬商挤?，時(shí)間一長就會在集電環(huán)、集電環(huán)支架、刷架等部位上堆積形成接地通道[6]，進(jìn)而造成轉(zhuǎn)子絕緣降低。

針對該原因進(jìn)行分析得知：在機(jī)組停機(jī)后，工作人員對各發(fā)電機(jī)集電環(huán)室進(jìn)行全面檢查發(fā)現(xiàn)，在#1、#2機(jī)組集電環(huán)絕緣支撐及刷架絕緣支撐處碳粉堆積情況嚴(yán)重，#3～#8機(jī)組集電環(huán)絕緣支撐及刷架絕緣支撐處也有碳粉堆積，但較#1、#2機(jī)組堆積量偏少。

4 故障處理

4.1 碳粉堆積原因分析

4.1.1 集電環(huán)絕緣支撐絕緣距離偏短

該集電環(huán)絕緣支撐高度較低、形狀為凹形，磨下的碳粉容易堆積在凹形的絕緣支撐上，通過堆積的碳粉，在集電環(huán)與地之間形成了爬電通道，造成集電環(huán)的對地絕緣電阻偏小。

4.1.2 集電環(huán)原因

將#1、#2機(jī)組與其余機(jī)組碳刷的磨面進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)#1、#2機(jī)組的碳刷磨面較為粗糙，具有較深的溝槽，用手感覺有明顯的凹凸感。而其余機(jī)組碳刷的磨面基本為鏡面，手感較為光滑。由此判斷有可能存在集電環(huán)水平度、表面圓跳動(dòng)值大、集電環(huán)表面粗糙度大等因素造成碳刷磨損量大。

4.1.3 碳粉收集裝置效率低

在#1機(jī)組轉(zhuǎn)子絕緣電阻降低期間，電廠對發(fā)電機(jī)碳粉收集裝置進(jìn)行了改造，增加了六臺風(fēng)機(jī)以增強(qiáng)其吸塵能力，但實(shí)際效果并不明顯。同時(shí)，在機(jī)組停機(jī)備用期間，檢查發(fā)現(xiàn)碳粉收集裝置內(nèi)部只收集到少量的碳粉，裝置底板幾乎無碳粉。由此可知，碳粉收集裝置效率低，導(dǎo)致無法將磨下的碳粉有效收集是造成碳粉堆積的原因之一。

4.1.4 大軸孔洞封堵

該電站在2017年度機(jī)組C修中按照廠家給出的方案對集電環(huán)處的大軸孔洞進(jìn)行了封堵，封堵前有大量的碳粉通過該孔洞進(jìn)入轉(zhuǎn)子中心體內(nèi)部，封堵后碳粉無法進(jìn)入轉(zhuǎn)子中心體而全部堆積在集電環(huán)部位，導(dǎo)致集電環(huán)絕緣支撐處堆積的碳粉偏多、轉(zhuǎn)子絕緣電阻變低。

護(hù)理20 d后，觀察組不良反應(yīng)發(fā)生率8.82%低于對照組的20.58%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。見表2。

4.1.5 碳刷更換量過大

該電站在2017年度機(jī)組C修中更換了大量碳刷。其中，#7～#8機(jī)組更換了近70%，#1～#6機(jī)組更換量達(dá)到了90%。碳刷更換初期至穩(wěn)定時(shí)間段內(nèi)碳刷端面與集電環(huán)摩擦是由線到面的過程，該時(shí)間段較正常時(shí)間段碳刷的磨損量較大，故產(chǎn)生的碳粉更多。

4.2 處理措施

當(dāng)發(fā)現(xiàn)集電環(huán)碳粉堆積嚴(yán)重后，電站工作人員先后對#1～#8機(jī)組集電環(huán)碳粉進(jìn)行了清掃。清掃完成后，#1、#2機(jī)組轉(zhuǎn)子絕緣值上升明顯，#3～#8機(jī)組絕緣值略有上升。具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 碳粉清掃前后轉(zhuǎn)子絕緣值表

由于上述處理方法只能暫時(shí)消除轉(zhuǎn)子絕緣降低情況，并不能徹底消除缺陷，所以，該電站又先后進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的技術(shù)改進(jìn)。

4.2.1 集電環(huán)改造

(1)對集電環(huán)表面進(jìn)行加工處理，使安裝后的集電環(huán)振動(dòng)、跳動(dòng)值達(dá)到要求；

(2)所加工的集電環(huán)必須達(dá)到粗糙度要求，防止因集電環(huán)的表面粗糙度過大使碳刷的磨損加快而產(chǎn)生過量的碳粉，導(dǎo)致絕緣降低；

(4)為了防止碳粉從兩個(gè)集電環(huán)之間的間隙遺漏，必須使集電環(huán)與集塵罩之間形成一個(gè)相對密閉的空間，故將集電環(huán)的上環(huán)與下環(huán)之間的間隙用絕緣擋風(fēng)板將其密封，以提高碳粉的收集效果。

4.2.2 刷架的改造

(1)對刷握位置進(jìn)行重新優(yōu)化布置，使刷握更加集中于吸塵口前端，普遍離吸塵口比較近，使該處的抽風(fēng)量更大、風(fēng)速更快、產(chǎn)生的碳粉更容易被吸出，更加有利于碳粉的收集。優(yōu)化后的刷架俯視情況見圖5。

圖5 優(yōu)化后的刷架俯視圖

(2)將吸風(fēng)口數(shù)量從三個(gè)增加到六個(gè)，吸塵口由直管結(jié)構(gòu)優(yōu)化為喇叭口結(jié)構(gòu)，增加了風(fēng)量和吸風(fēng)面，有利于碳粉收集。優(yōu)化前后的吸塵口結(jié)構(gòu)對比情況見圖6。

圖6 優(yōu)化前后的吸塵口結(jié)構(gòu)對比圖

(3)刷架上端絕緣套的爬電距離很短。通過增大絕緣套、側(cè)面開溝槽的方式，增加了爬電距離；

(4)在下導(dǎo)電環(huán)上安裝毛刷及集塵擋板，在加強(qiáng)密封的同時(shí)，還可以兜接住落下的碳粉，防止碳粉飄落。

4.2.3 碳粉收集裝置及管路優(yōu)化

(1)更換了碳粉收集裝置。除塵風(fēng)機(jī)為原裝進(jìn)口、功率更大的風(fēng)機(jī)。將過濾材料由濾袋改為濾筒，使過濾面積更大，拆換、清洗亦更方便，碳粉收集效果更好；

(2)原碳粉收集裝置系通過一根軟管連接除塵器和一個(gè)吸風(fēng)口。改進(jìn)后，通過兩根軟管連接一臺除塵器和兩個(gè)吸風(fēng)口，優(yōu)化后的設(shè)備除塵效果大大提高。

4.3 處理效果

該電站在對發(fā)電機(jī)集電環(huán)堆積的碳粉進(jìn)行清掃之后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣情況恢復(fù)到正常范圍內(nèi)。經(jīng)過上述幾項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)，降低了機(jī)組運(yùn)行過程中碳粉的產(chǎn)生量，提高了碳粉裝置的收集效果，碳粉堆積嚴(yán)重的問題得到了大大改善。

5 結(jié) 語

水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子絕緣降低問題在很多水電站均有出現(xiàn)，甚至很頻繁，使機(jī)組被迫停運(yùn)，給電站造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。筆者介紹的某水電站機(jī)組針對轉(zhuǎn)子絕緣降低問題采取的有效措施對類似電站發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的日常維護(hù)及故障處理具有一定的借鑒作用。