發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣問(wèn)題分析與處理

肖先照，高從闖，黃 艷，陳忠賓，宗樹(shù)冬

(1. 江蘇國(guó)信溧陽(yáng)抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇常州 213334；2. 江蘇沙河抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇常州 213333)

0 引言

轉(zhuǎn)子為水輪發(fā)電電動(dòng)機(jī)必不可少的部件，由磁軛、磁極、大軸、勵(lì)磁引線(xiàn)、集電環(huán)等部件組成，是產(chǎn)生磁場(chǎng)的勵(lì)磁部分[1]。因此，轉(zhuǎn)子必須具有良好的絕緣性能，防止機(jī)組運(yùn)行時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地，甚至兩點(diǎn)接地，影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

某抽水蓄能電站裝有多臺(tái)單機(jī)容量為250 MW的混流式水泵水輪機(jī)-發(fā)電電動(dòng)機(jī)組，為國(guó)內(nèi)某知名廠(chǎng)商生產(chǎn)。發(fā)電機(jī)為立軸半傘式全空冷發(fā)電電動(dòng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為300 r/min，額定勵(lì)磁電壓為278.9 V，額定電壓為17.5 kV。

1 轉(zhuǎn)子勵(lì)磁部分結(jié)構(gòu)

該電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子為凸極式轉(zhuǎn)子，采用的是三段軸結(jié)構(gòu)，由轉(zhuǎn)子支架、磁軛、磁極、頂軸、主軸、轉(zhuǎn)子引線(xiàn)、集電環(huán)等部件組成，見(jiàn)圖1。其中集電環(huán)和電刷裝置、轉(zhuǎn)子引線(xiàn)和磁極是勵(lì)磁回路的組成部分。直流電通過(guò)集電環(huán)正負(fù)極，再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子引線(xiàn)給20個(gè)磁極通電，形成磁場(chǎng)。

1.集電環(huán)； 2.頂軸； 3.轉(zhuǎn)子引線(xiàn)； 4.轉(zhuǎn)子支架；5.磁軛； 6.磁極； 7.主軸。

1.1 磁極絕緣結(jié)構(gòu)

磁極是提供主磁場(chǎng)的核心部件，主要包括磁極鐵心、磁極線(xiàn)圈、阻尼繞組等。磁極絕緣包括極身絕緣、匝間絕緣、絕緣托板、配墊層、“L”形附加絕緣、托板密封隔熱絕緣和托板密封膩?zhàn)?。磁極結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

1.磁極鐵心； 2.極身絕緣； 3.磁極線(xiàn)圈； 4. 阻尼條；5.絕緣托板； 6. 極間支撐。

1.2 轉(zhuǎn)子引線(xiàn)

轉(zhuǎn)子引線(xiàn)是連接集電環(huán)與磁極的中間導(dǎo)體，材料為軟銅母線(xiàn)TMR，局部包扎絕緣帶。轉(zhuǎn)子引線(xiàn)穿過(guò)頂軸內(nèi)孔而后經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子支架和磁軛，最后和首尾磁極相連，經(jīng)過(guò)計(jì)算選擇適當(dāng)數(shù)量的線(xiàn)夾件固定在轉(zhuǎn)子上，所有與金屬接觸部位都采用絕緣墊塊、絕緣套管的絕緣結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計(jì)既能保證轉(zhuǎn)子帶電部件對(duì)地的絕緣及爬電距離，還能滿(mǎn)足機(jī)組任何工況時(shí)的強(qiáng)度要求。轉(zhuǎn)子引線(xiàn)見(jiàn)圖3。

圖3 轉(zhuǎn)子引線(xiàn)

1.3 集電環(huán)和電刷裝置(見(jiàn)圖4)

圖4 集電環(huán)與刷架裝配

該電站機(jī)組集電環(huán)固定在頂軸上面，位于發(fā)電電動(dòng)機(jī)的頂軸內(nèi)，通過(guò)勵(lì)磁碳刷與刷架的導(dǎo)電環(huán)連接，轉(zhuǎn)子引線(xiàn)的銅排直接通過(guò)把合螺栓固定在集電環(huán)上。電刷裝置通過(guò)正負(fù)極各12根180 mm2電纜與勵(lì)磁柜相連。

2 絕緣故障

該電站機(jī)組投運(yùn)4年多來(lái)，轉(zhuǎn)子整體運(yùn)行性能穩(wěn)定可靠，但是也存在一些因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、檢修維護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致的絕緣問(wèn)題。

2.1 絕緣電阻偏低

該電站兩臺(tái)機(jī)組出現(xiàn)過(guò)轉(zhuǎn)子絕緣阻值偏低的現(xiàn)象。第一次，4號(hào)發(fā)電電動(dòng)機(jī)在C級(jí)檢修后預(yù)防性試驗(yàn)測(cè)得轉(zhuǎn)子整體絕緣阻值僅為22 MΩ(集電環(huán)、轉(zhuǎn)子引線(xiàn)以及20個(gè)磁極作為整體)，而修前整個(gè)轉(zhuǎn)子的絕緣阻值為790 MΩ。修后數(shù)據(jù)滿(mǎn)足規(guī)范要求的“轉(zhuǎn)子整體絕緣阻值不低于0.5 MΩ的要求”，但是絕緣阻值存在較大差異。通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)風(fēng)洞內(nèi)空氣加熱和除濕一天，重新測(cè)得轉(zhuǎn)子整體絕緣阻值為458 MΩ。第二次，6號(hào)發(fā)電電動(dòng)機(jī)在C級(jí)檢修后預(yù)防性試驗(yàn)測(cè)得轉(zhuǎn)子整體絕緣阻值僅為0.3 MΩ，并且用500 V搖絕緣時(shí)，電壓只能上升到400 V。將轉(zhuǎn)子引線(xiàn)與磁極分開(kāi)，分別測(cè)量轉(zhuǎn)子引線(xiàn)和磁極的絕緣，最終發(fā)現(xiàn)是因?yàn)檗D(zhuǎn)子引線(xiàn)固定螺栓套的絕緣管損壞，存在放電現(xiàn)象。經(jīng)更換絕緣套管備件，重新測(cè)量轉(zhuǎn)子整體絕緣阻值為728 MΩ。

2.2 轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地[2]

轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地與絕緣電阻偏低不同，一點(diǎn)接地指的是轉(zhuǎn)子集電環(huán)電刷系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子引線(xiàn)以及磁極形成的勵(lì)磁回路存在一點(diǎn)與大地接地系統(tǒng)連接，即存在金屬接地，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁回路對(duì)地的絕緣阻值為0 Ω或者低于轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)值15 kΩ。該電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)過(guò)多次因碳粉堆積導(dǎo)致轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地的故障，故障點(diǎn)處于集電環(huán)和電刷裝置處。通過(guò)清理集電環(huán)和刷架裝置處的碳粉，一點(diǎn)接地的問(wèn)題立即得到解決。機(jī)組還出現(xiàn)過(guò)幾次磁極線(xiàn)圈銅排接地的問(wèn)題，具體為磁極“T”尾處調(diào)整墊條斷裂，墊條搭接磁極線(xiàn)圈導(dǎo)致轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障，如圖5所示。

圖5 墊條搭接磁極銅排

3 原因分析與處理

根據(jù)該電站機(jī)組多起絕緣問(wèn)題的處理過(guò)程，總結(jié)出了一些轉(zhuǎn)子絕緣故障的原因與處理措施[3]。轉(zhuǎn)子絕緣阻值偏低，原因如下：

(1) 發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期停機(jī)(檢修狀態(tài))，環(huán)境濕度較大導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣受潮，進(jìn)而轉(zhuǎn)子絕緣電阻偏低。這種現(xiàn)象通常是發(fā)電機(jī)修前試驗(yàn)絕緣阻值合格，而修后絕緣阻值大幅下降。這種情況可以通過(guò)加熱器烘干、除濕機(jī)除濕，或者讓發(fā)電機(jī)帶勵(lì)磁空轉(zhuǎn)等方式來(lái)處理，效果一般比較理想。

(2) 集電環(huán)、電刷裝置、轉(zhuǎn)子引線(xiàn)以及磁極端部積累碳粉、灰塵、油污導(dǎo)致轉(zhuǎn)子絕緣電阻降低或者出現(xiàn)接地點(diǎn)。這種情況一般可以通過(guò)保護(hù)顯示的接地點(diǎn)部位有針對(duì)性地重點(diǎn)檢查和清掃、除塵、除污，絕緣降低或者接地的故障變化就會(huì)消除。

(3) 焊渣、金屬鐵屑等部件導(dǎo)致磁極線(xiàn)圈裸露銅排部分與轉(zhuǎn)子金屬部件接觸的一點(diǎn)接地或者產(chǎn)生磁極線(xiàn)圈間的匝間短路。這種情況比較少見(jiàn)，可以先通過(guò)常規(guī)檢查，如效果不佳，則需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定是具體哪個(gè)磁極。可以將磁極拔出機(jī)坑在外單獨(dú)的檢查。采用壓縮空氣全面清掃，還可以采用吸鐵石吸附線(xiàn)圈和鐵心之間的金屬雜質(zhì)。

(4) 絕緣嚴(yán)重老化或者存在機(jī)械損傷、金屬粉塵進(jìn)入鐵心和線(xiàn)圈內(nèi)狹小空間。這幾種情況無(wú)法在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)常規(guī)方式處理來(lái)提高絕緣水平，只能更換磁極，將問(wèn)題磁極脫除線(xiàn)圈重新生產(chǎn)組裝。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)該電站機(jī)組發(fā)電電動(dòng)機(jī)幾起轉(zhuǎn)子絕緣問(wèn)題的分析和處理，檢修人員獲得了一些處理轉(zhuǎn)子絕緣問(wèn)題的方法，也總結(jié)了一些轉(zhuǎn)子檢修維護(hù)的經(jīng)驗(yàn)，提高了檢修技能，保證了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。該機(jī)組轉(zhuǎn)子絕緣問(wèn)題處理的思路、方法和經(jīng)驗(yàn)對(duì)類(lèi)似問(wèn)題的分析和處理具有指導(dǎo)意義。