費(fèi)魯電站1號發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子及集電環(huán)故障的分析

邱世貴，黃秀娟，梁道興

(中國水利水電第十六工程局有限公司，福建 福州 350003)

1 概 述

費(fèi)魯水電站位于塞內(nèi)加爾河流經(jīng)非洲馬里共和國段上，在馬朗塔里水電站下游大約200 km、卡伊市上游15 km左右處，是1座徑流式引水發(fā)電站。水庫正常蓄水位40.10 m，總裝機(jī)容量3×21 MW，通過225 kV開關(guān)站并入電網(wǎng)向業(yè)主成員國(馬里、毛利塔尼亞和塞內(nèi)加爾)電力負(fù)荷中心提供電能。電站在運(yùn)行5 a后發(fā)生了集電環(huán)損壞事件。

2 動作事件回顧

從事件表中可以看出(見表1)，啟動了64R 1p.BV保護(hù)(轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地低值報警)。因此，電氣故障(轉(zhuǎn)子繞組絕緣下降已經(jīng)達(dá)到低值報警)表明轉(zhuǎn)子繞組絕緣電阻已經(jīng)相當(dāng)?shù)停吔? Ω的狀態(tài)。

查看1號發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置64R保護(hù)整定值：高值報警為20 kΩ，低值報警為1.8 kΩ。64R保護(hù)整定有2級報警，均為報警發(fā)信至監(jiān)控系統(tǒng)；而根據(jù)“繼電器和自動裝置保護(hù)定值清單”，對于勵磁，3個勵磁保護(hù)按表2設(shè)置(見表2)。

表1 發(fā)電機(jī)動作事件記錄

表2 勵磁變保護(hù)定值

保護(hù)裝置所輸入和輸出的值與保護(hù)計算書相符，滿足正常運(yùn)行要求。

3 診斷項(xiàng)目及執(zhí)行的測試

3.1 CETIM機(jī)構(gòu)對集電環(huán)的鑒定

熔融的金屬沉積物以及部分或完全融化的零件可以掩蓋其他發(fā)生的故障，如疲勞斷裂或螺栓的剪切。集電環(huán)部分元件送到圣艾蒂安的CETIM實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測。CETIM的結(jié)論如下：

輕微損壞的部件并且外觀有斷裂痕跡的顯示出表面微觀部分的氧化和降解狀態(tài)(由電氣事故造成)，從而無法表現(xiàn)出機(jī)械損傷的特征。在斷裂平面處的顯微檢查沒有發(fā)現(xiàn)與脫落平面相鄰的螺紋底部的任何二次裂紋，這可能已經(jīng)提供了損壞方式的信息。根據(jù)2013 NF EN ISO 898—1，通過觀察4.8～6.8強(qiáng)度等級相關(guān)結(jié)構(gòu)變化和初始硬度特性未受影響，附加檢查螺栓的化學(xué)成分符合4.8～6.8級的2013年NF EN ISO 898—1所允許的碳鋼標(biāo)準(zhǔn)。

因此，不是先天的螺栓機(jī)械故障而是熔化，初步排除了機(jī)械勞損故障。

3.2 現(xiàn)場檢查

ARTELIA、SEMAF、SINOHYDRO三家團(tuán)隊(duì)對損壞集電環(huán)進(jìn)行了現(xiàn)場檢查(見圖1～圖4)。

圖1 老化的銅連接絕緣

圖2 腐化的銅連接

圖3 集電環(huán)1的環(huán)間連接短路

圖4 集電環(huán)2的環(huán)間(腐化)連接短路

故障起始點(diǎn)：完整觀察集電環(huán)的狀態(tài)可以識別短路的來源， 每個集電環(huán)都清楚地顯示出故障起點(diǎn)是由在連接和環(huán)之間的絕緣性能下降而誘發(fā)的。長時間的運(yùn)行，在集電環(huán)與碳刷架之間積累碳粉，碳粉進(jìn)入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，導(dǎo)致整個勵磁回路絕緣下降。碳粉的強(qiáng)烈污染加劇了絕緣破壞。從曲線圖放大可以看出勵磁電流的變化，對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生了強(qiáng)勵動作(見圖5)。

圖5 監(jiān)控界面的勵磁系統(tǒng)曲線

3.3 對集電環(huán)絕緣電阻測量

對集電環(huán)絕緣電阻的測量如下所示(見表3)。

表3 集電環(huán)絕緣電阻值

3.4 對轉(zhuǎn)子絕緣電阻及直流電阻測量

斷開勵磁集電環(huán)轉(zhuǎn)子引線，不需要任何拆卸的情況下進(jìn)行轉(zhuǎn)子的電阻和絕緣測量(見表4)。

表4 轉(zhuǎn)子絕緣檢查

轉(zhuǎn)子直流電阻為0.23 Ω，與機(jī)組安裝測試數(shù)據(jù)基本一致。絕緣測量采用絕緣測試儀15871400 FC，直流電阻測量采用HIOKI RM3548測試儀。

3.5 檢查勵磁系統(tǒng)組件(晶閘管和二極管)

對每個功率柜的元件進(jìn)行詳細(xì)檢查，組件狀況良好。

3.6 檢查碳粉塵除塵器的運(yùn)行

碳粉吸塵裝置管道狀況不佳，必須重新調(diào)整該系統(tǒng)。觀察到運(yùn)行后的過濾器比較干凈，但碳粉吸塵器效果不明顯，可以解釋在轉(zhuǎn)子內(nèi)部發(fā)現(xiàn)稍微擴(kuò)散的粉塵的原因。

3.7 發(fā)電機(jī)保護(hù)定值檢查

在發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置中，涉及的轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)64R定值是符合運(yùn)行的(見圖6)，但在發(fā)電機(jī)保護(hù)的歷史記錄中，多次出現(xiàn)64R保護(hù)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地低值報警動作。

圖6 64R保護(hù)定值清單

3.8 機(jī)組集電環(huán)盤車檢查

測圓架的磁性基底固定在定子的上部面上，測圓架觸及到集電環(huán)的上環(huán)。起動壓力泵，操作人員旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子，結(jié)果如下所示(見表5)。

表5 集電環(huán)盤車數(shù)據(jù)

從表中得出最大誤差符合0.25 mm，與安裝投產(chǎn)時基本一致，符合規(guī)范。

4 診斷分析及結(jié)果

(1)根據(jù)現(xiàn)場及資料所有檢查，得出診斷結(jié)果：根據(jù)轉(zhuǎn)子及集電環(huán)絕緣電阻檢查，轉(zhuǎn)子絕緣初始值原本平均是200 MΩ；在集電環(huán)檢修后， 2017年測量值0.5 MΩ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于初始值?？梢源_認(rèn)是由幾年來碳粉和油蒸汽的積聚加劇了潛在的絕緣故障，引起絕緣急劇下降。

(2)集電環(huán)絕緣體上粉塵和油蒸氣會極大地降低集電環(huán)的絕緣環(huán)和絕緣墊。

(3)在出現(xiàn)各種轉(zhuǎn)子對地警報的過程中，運(yùn)行操作人員啟動了吸塵器，表明運(yùn)行過程中產(chǎn)生的碳粉引起轉(zhuǎn)子整體絕緣下降。在每次64R保護(hù)出現(xiàn)時，勵磁系統(tǒng)啟動強(qiáng)勵運(yùn)行(不超過10 s)，通過勵磁回路—集電環(huán)—轉(zhuǎn)子，導(dǎo)致銅導(dǎo)體過熱。SCADA系統(tǒng)收到信號，“勵磁限制報警”顯示勵磁電流已達(dá)到最高。無功功率的不平衡曲線也可證明強(qiáng)勵啟動。或者說，在這些事件發(fā)生時，時而來自勵磁系統(tǒng)的強(qiáng)勵，時而來自電網(wǎng)的強(qiáng)電流就已通過勵磁回路—轉(zhuǎn)子。這種勵磁系統(tǒng)與轉(zhuǎn)子電流失去平衡的發(fā)生是由于被污染轉(zhuǎn)子或者集電環(huán)加劇的絕緣故障所致。因此，這些連續(xù)的過熱導(dǎo)致銅導(dǎo)體的絕緣件退化。銅連接絕緣減弱導(dǎo)致銅導(dǎo)體和集電環(huán)之間的直接短路,導(dǎo)致機(jī)電環(huán)與刷架螺桿的斷裂和熔融事故，以及其他部件損壞。

(4)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)對地保護(hù)(64R)定值動作機(jī)組未跳閘，使得故障迅速升級并損壞集電環(huán)。

(5)考慮到特定的設(shè)計和風(fēng)險，(64R保護(hù))轉(zhuǎn)子接地故障具有高值、低值兩級保護(hù)。包括轉(zhuǎn)子繞組和非旋轉(zhuǎn)勵磁設(shè)備在內(nèi)的電感繞組始終與轉(zhuǎn)子的金屬部分隔開。如果轉(zhuǎn)子由空氣冷化，則絕緣電阻很高。電感回路絕緣故障會導(dǎo)致從電感繞組到大地的導(dǎo)電路徑，這意味著出現(xiàn)接地故障。通常，同步交流發(fā)電機(jī)的電感回路不接地，這就是轉(zhuǎn)子繞組接地故障僅產(chǎn)生很小的故障電流(高值階段)的原因。因此，轉(zhuǎn)子高值接地故障不會損壞發(fā)電機(jī)，也不會以任何方式影響運(yùn)行。

5 建 議

(1)修改發(fā)電機(jī)保護(hù)中的64R保護(hù)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地低值保護(hù)，出口報警動作改為跳閘發(fā)電機(jī)出口開關(guān)并事故停機(jī)。

(2)加強(qiáng)對2、3號機(jī)組的“轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地”報警信號的監(jiān)測，從高值出現(xiàn)開始。

(3)分析每次報警信號的真實(shí)性來源。

(4)盡早檢查報警信號發(fā)生后的轉(zhuǎn)子及其附件絕緣電阻檢查。

(5)在監(jiān)控系統(tǒng)A界面上，把“轉(zhuǎn)子絕緣故障”一詞顯示為紅色。

(6)將碳粉除塵裝置系統(tǒng)重新投入運(yùn)行，并確保過濾器的清潔可及時清理絕緣件表面，保證絕緣性能。

(7)運(yùn)行規(guī)程重新定義發(fā)電機(jī)(定子、轉(zhuǎn)子)的絕緣監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)，來控制絕緣發(fā)展趨勢。

(8)重新校驗(yàn)發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置的動作可靠性。

(9)為了使機(jī)組盡快恢復(fù)電網(wǎng)運(yùn)行，一致建議組建1個中水電—SEMAF小團(tuán)隊(duì)，對1號發(fā)電機(jī)組進(jìn)行A修，來進(jìn)行拆解或重新組裝工作。

(10)采購優(yōu)質(zhì)電刷，以保證與集電環(huán)良好配合。電刷裝配前充分研磨處理(適形磨弧)，研磨時避免硬物顆粒遺留在電刷表面，尤其注意砂紙殘留物。電刷裝配前認(rèn)真清理集電環(huán)、電刷表面，確保集電環(huán)及碳刷表面清潔無油污、無異物。

6 結(jié) 語

通過ARTELIA及SINOHYDRO對馬里費(fèi)魯水電站1號機(jī)組轉(zhuǎn)子及集電環(huán)故障的分析，結(jié)合相關(guān)技術(shù)資料進(jìn)行比對和現(xiàn)場數(shù)據(jù)的測量，得出建議意見及應(yīng)盡快進(jìn)行1號機(jī)組的A修工作，對日后類似機(jī)型的運(yùn)行維護(hù)具有借鑒意義。