某水電站機組轉(zhuǎn)子絕緣降低原因分析及處理

王小龍

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650032）

1 概述

對于水輪發(fā)電機而言，轉(zhuǎn)子回路絕緣的可靠性非常重要，當轉(zhuǎn)子回路絕緣降低或發(fā)生一點接地故障時，由于轉(zhuǎn)子繞組沒有形成短路回路，接地點不會有故障電流，所以一般不會產(chǎn)生較重的后果。需要擔心的是如果發(fā)生第二點接地，一部分轉(zhuǎn)子繞組將被短接，故障電流可能會燒損轉(zhuǎn)子回路的相關(guān)部件，部分勵磁繞組被短接以后氣隙磁場發(fā)生的畸變會造成機組振動異常，對水輪發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行構(gòu)成威脅。所以，當發(fā)電機轉(zhuǎn)子絕緣出現(xiàn)降低的情況時，務必要引起重視，及時分析絕緣降低的原因并進行處理。

某水電站是新疆維吾爾自治區(qū)重點水利工程，位于阿克蘇地區(qū)拜城縣境內(nèi)最大的河流木扎提河上，是南疆地區(qū)最大的無壩引水式水電站，工程由渠首、引水系統(tǒng)、岸邊廠房等建筑物組成，工程等別為三等中型。水電站主廠房安裝有4臺立軸混流式機組，引水系統(tǒng)為一管四機形式，兩臺小機組（1號、2號）單機容量10 MW，兩臺大機組（3號、4號）單機容量70 MW，總裝置容量160 MW，年平均可發(fā)清潔電量約為5.42億kW·h，每年可節(jié)省標準煤50萬t。在機組啟動試運行階段，兩臺小機組先后完成了試啟動試運行并順利投入了商業(yè)運行；兩臺大機組在并網(wǎng)發(fā)電后發(fā)生了轉(zhuǎn)子絕緣降低的故障，兩臺大機組發(fā)電機的主要技術(shù)參數(shù)如下：

旋轉(zhuǎn)方向：從N端（非傳動端）看為順時針方向

水輪發(fā)電機在額定電壓、額定轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)為1時的持續(xù)容量為82.353 MW。

2 轉(zhuǎn)子絕緣降低的異常情況

2.1 3號機組轉(zhuǎn)子絕緣降低的問題

在3號機組轉(zhuǎn)子安裝階段，磁極掛裝后，在做轉(zhuǎn)子整體耐壓試驗時發(fā)生過磁極撐塊與磁極線圈之間多處放電現(xiàn)象，根據(jù)主機廠現(xiàn)場技術(shù)服務人員指導下，現(xiàn)場安裝人員對磁極撐塊邊緣棱角進行了打磨修型，盡量減少磁極撐塊與磁極線圈的距離，增加絕緣材料（絕緣紙、浸膠適形氈）的預留寬度等處理措施后，再次耐壓試驗時磁極間撐塊放電現(xiàn)象才基本消除，轉(zhuǎn)子整體耐壓試驗通過。

2021年5月20日 3號機組并網(wǎng)發(fā)電，并網(wǎng)發(fā)電前在1 000 V電壓下測量轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動絕緣為112 MΩ，2 500 V電壓下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動絕緣為 25 MΩ，滿足轉(zhuǎn)子絕緣不低于0.5 MΩ的規(guī)范要求。7月6日，檢查 3號機發(fā)電機保護裝置上顯示轉(zhuǎn)子對地絕緣值為 10～30 kΩ之間浮動變化，并發(fā)出轉(zhuǎn)子絕緣低的報警信號，對機組進行停機檢查。

表1 3號機組轉(zhuǎn)子絕緣檢測數(shù)據(jù)表

2.2 4號機組轉(zhuǎn)子絕緣降低的問題

在4號機組轉(zhuǎn)子安裝階段，磁極掛裝后，在做轉(zhuǎn)子整體耐壓試驗時發(fā)生過磁極撐塊與磁極線圈之間多處放電現(xiàn)象，根據(jù)主機廠現(xiàn)場技術(shù)服務人員指導下，現(xiàn)場安裝人員對磁極撐塊邊緣棱角進行了打磨修型，盡量減少磁極撐塊與磁極線圈的距離，增加絕緣材料（絕緣紙、浸膠適形氈）的預留寬度等處理措施后，再次耐壓試驗時磁極間撐塊放電現(xiàn)象才基本消除，轉(zhuǎn)子整體耐壓試驗通過。

2021年7月16日，4號機組空載啟動前，檢測轉(zhuǎn)子回路絕緣電阻值為 1.81 GΩ(2 500 V)；啟動后額定轉(zhuǎn)速下檢測轉(zhuǎn)子回路絕緣電阻值為 1.50 GΩ （2 500 V），轉(zhuǎn)子回路絕緣電阻值滿足規(guī)范要求。機組啟動4 h后，額定轉(zhuǎn)速下對轉(zhuǎn)子回路絕緣電阻復測，測試電壓檔位在1 000 V時，轉(zhuǎn)子回路絕緣電阻值在6 kΩ～0.61 MΩ之間來回變動，測試電壓輸出 80～700 V之間變動；測試電壓檔位在2 500 V時，轉(zhuǎn)子絕緣電阻值僅為3 kΩ，測試電壓輸出僅為6 V左右，遠遠低于規(guī)范標準，對機組進行停機檢查。

表2 4號機組轉(zhuǎn)子絕緣檢測數(shù)據(jù)表

3 轉(zhuǎn)子絕緣電阻降低的原因分析

根據(jù)上述異?，F(xiàn)象，結(jié)合機組結(jié)構(gòu)設計和以往處理類似問題的經(jīng)驗，初步分析認為，原因可能有如下幾種：

（1）集電環(huán)碳粉堆積

集電環(huán)隨機組轉(zhuǎn)動時與碳刷滑動接觸，將勵磁電流傳遞到轉(zhuǎn)動中的轉(zhuǎn)子繞組之中。集電環(huán)與碳刷之間的滑動摩擦會形成碳粉，在集電環(huán)旋轉(zhuǎn)過程中周圍氣流形成的吸附效應的作用下，機組長時間運行后就會在集電環(huán)、集電環(huán)支架、刷架等部位上堆積碳粉，當碳粉堆積達到一定量時就能形成導電通道，進而造成轉(zhuǎn)子絕緣電阻值降低。針對該原因進行分析得知：在機組停機后，工作人員對發(fā)電機機罩內(nèi)進行全面檢查發(fā)現(xiàn)，雖然3號、4號機組集電環(huán)絕緣支撐及刷架絕緣支撐處有碳粉，但是量不多，碳粉清理之后，轉(zhuǎn)子絕緣電阻值有少量回升，但離合格標準還有較大差距，因此集電環(huán)碳粉堆積不是該機組轉(zhuǎn)子絕緣降低問題的主要原因。

（2）機組振動和擺度影響

水輪發(fā)電機運行時的振動和擺度數(shù)據(jù)是反映機組運行工況的重要指標。當發(fā)電機振動和擺度超標時，會導致機組集電環(huán)處振擺超標，碳刷摩擦不均勻，進而導致碳刷磨損增多。此外，如機組振動擺度超標，發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁極的鐵心和線圈相對振動增加，亦會對機組絕緣造成不利影響。對該原因進行分析：兩臺大機組均是新投運的機組，機組振動和擺度數(shù)據(jù)優(yōu)良，現(xiàn)場實際觀察也未發(fā)現(xiàn)機組有異常振動及異響。因此排除了該原因。

（3）磁電纜絕緣破壞、磁極連線壓緊螺栓絕緣套管破損

發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路中若出現(xiàn)勵磁電纜絕緣破壞、磁極連線壓緊螺栓絕緣套管破損等情況時，都將導致轉(zhuǎn)子絕緣降低，根據(jù)以往經(jīng)驗，該問題發(fā)生的概率還比較大。在這種情況下，計算機監(jiān)控系統(tǒng)會偶發(fā)報接地故障信號，嚴重時將導致機組跳閘停機。針對該原因進行分析得知：該電站機組雖出現(xiàn)了轉(zhuǎn)子絕緣降低的情況，但未出現(xiàn)轉(zhuǎn)子瞬時接地故障和機組跳閘的情況。停機后拆除勵磁電纜單獨搖絕緣，結(jié)果合格；逐個檢查和測試磁極連線壓緊螺栓絕緣套管的絕緣電阻，結(jié)果合格。經(jīng)過全面檢查未發(fā)現(xiàn)勵磁電纜絕緣破損、磁極連線壓緊螺栓絕緣套管破損等情況。因此，可排除此原因。

（4）發(fā)電機轉(zhuǎn)子受潮

水輪發(fā)電機組的運行環(huán)境中如果空氣比較潮濕，由于發(fā)電機的轉(zhuǎn)子絕緣被空氣中水分入侵，或者水輪發(fā)電機組長期停機備用，機組就有可能出現(xiàn)絕緣降低的情況。但是，本電站地處我國西北邊疆地區(qū)，氣候常年干燥少雨，且機組已發(fā)電運行了一段時間，機組運行時本身溫度高于環(huán)境溫度，因此可以排除發(fā)電機受潮的原因。

（5）磁極本身及磁極連線的問題

排除以上4種常見的原因后，轉(zhuǎn)子絕緣問題就只能是磁極本身及磁極連線的問題了，這個部位是轉(zhuǎn)子回路的最末端也是最重要、結(jié)構(gòu)最復雜的部位。該機組共有16個磁極，現(xiàn)場采取排除法進行逐個（對）磁極檢查，首先斷開1號和8號磁極連線，分成1號～8號、9號～16號兩部分，對半排除，用1 000 V的兆歐表分別測量兩部分磁極的絕緣電阻，結(jié)果1號～8號磁極絕緣電阻值在1 GΩ以上，絕緣合格；9號～16號磁極的絕緣電阻值幾乎為零，那么問題就在這8個磁極中，再對這8個磁極對半排除4個磁極，4個磁極對半再排除兩個，最后鎖定12號和13號這對磁極絕緣不合格，重點對這對磁極進行排查。用2 500 V兆歐表檢測12號、13號磁極的絕緣電阻時發(fā)現(xiàn)這對磁極撐塊下部與磁極線圈接觸的部位有明顯的放電現(xiàn)象，且絕緣值幾乎為零。至此，造成轉(zhuǎn)子整體絕緣降低的原因已明晰，即12號、13號磁極撐塊（鋁質(zhì)材料）與磁極匝間絕緣有問題，磁極撐塊固定結(jié)構(gòu)不牢靠，磁極撐塊發(fā)生了位移，絕緣安全距離不足，絕緣材料單薄，最終在磁極撐塊與磁極線圈之間形成了爬電通道，造成轉(zhuǎn)子整體對地絕緣電阻值降低。

4 現(xiàn)場檢查及處理

針對12號、13號磁極撐塊（鋁質(zhì)材料）與磁極匝間絕緣問題，現(xiàn)場分析了該部分的結(jié)構(gòu)形式，重點進行了檢查和研判，主機廠提供的磁極撐塊材質(zhì)為鋁質(zhì)，撐塊與磁極裸露的匝間距離很小，中間靠1張薄的絕緣紙、1張浸膠適形氈、1塊環(huán)氧板隔開。磁極撐塊僅有水平方向的拉桿固定，垂直方向無固定。機組在旋轉(zhuǎn)過程中磁極和磁極撐塊受離心力、重力等聯(lián)合作用下，導致磁極撐塊出現(xiàn)了向下的位移，且各組件間存在相對位移，改變了絕緣安全距離，進而導致絕緣間隙發(fā)生變化。磁極撐塊與磁極線圈之間的絕緣材料單薄、安全距離不足等結(jié)構(gòu)設計原因亦是造成了磁極撐塊與磁極線圈之間絕緣不可靠，造成轉(zhuǎn)子整體絕緣降低的重要原因。兩臺大機組均存在同樣的問題，因此，該絕緣降低的問題產(chǎn)生不是個例現(xiàn)象，應屬于系統(tǒng)性問題，要從源頭上排查原因，才能徹底解決問題，保證機組安全穩(wěn)定運行。

圖1 磁極撐塊與磁極線圈結(jié)構(gòu)實圖

問題處理：問題發(fā)生時，兩臺大機組均已并網(wǎng)發(fā)電，機組內(nèi)部空間非常狹小，且上擋風板不能單獨拆除，如要徹底處理該問題需要把機組拆開、吊出轉(zhuǎn)子才能進行，這樣將給電廠帶來巨大的經(jīng)濟損失。為了將問題造成的影響最小化，現(xiàn)場處理團隊經(jīng)反復討論，決定先將撐塊下移的問題進行糾正，把磁極撐塊的下移量頂回去，頂回去之后再測該對磁極的絕緣電阻值已達到了500 MΩ以上，遠遠滿足規(guī)范要求的0.5 MΩ以上的標準。為了防止頂回去的撐塊再次下移，現(xiàn)場處理人員對磁極撐塊與磁極線圈之間涂刷了3遍絕緣膠，絕緣膠固化后既可以強化絕緣，還有比較高的強度可有效阻止磁極撐塊再次下移。撐塊處理完成后，把轉(zhuǎn)子所有磁極連線及引線等恢復連接，再次測量轉(zhuǎn)子整體對地的絕緣電阻值大于500 MΩ，再次開機運行轉(zhuǎn)子對地絕緣電阻值在機組動態(tài)情況下也大于500 MΩ，滿足規(guī)范要求。兩臺大機組均按同樣的方式進行處理，處理效果基本相同，轉(zhuǎn)子絕緣電阻值滿足規(guī)范要求，兩臺大機組均得以恢復發(fā)電運行。

5 結(jié)論

該水電站兩臺大機組轉(zhuǎn)子磁極撐塊與磁極線圈之間絕緣安全距離（間隙）偏小、絕緣結(jié)構(gòu)設計存在缺陷，磁極撐塊絕緣結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不高、可靠性不強，是造成機組并網(wǎng)發(fā)電后轉(zhuǎn)子絕緣電阻先后發(fā)生持續(xù)降低、波動變化、直至低于規(guī)范標準0.5 MΩ以下等問題的根源所在?，F(xiàn)場通過采取臨時措施，暫時性的解決了該問題，使得兩臺大機組在豐水期恢復了發(fā)電狀態(tài)，避免了大的經(jīng)濟損失。要徹底解決該問題需要主機廠改進磁極撐塊絕緣的設計結(jié)構(gòu)，可以在枯水期大機組檢修時進行徹底整改，以絕后患，保證機組安全穩(wěn)定運行。