發(fā)電機(jī)勵磁轉(zhuǎn)子外絕緣異常原因及措施分析

摘 要：靜態(tài)勵磁發(fā)電機(jī)勵磁轉(zhuǎn)子絕緣合格是機(jī)組啟動必要條件之一。然而調(diào)查發(fā)現(xiàn)，珠三角沿海地區(qū)數(shù)家發(fā)電廠的在潮濕天氣下均出現(xiàn)勵磁轉(zhuǎn)子絕緣不合格的情況，影響電網(wǎng)安全和生產(chǎn)經(jīng)營。因此本文分析了影響靜態(tài)勵磁發(fā)電機(jī)勵磁轉(zhuǎn)子外絕緣的因素，并結(jié)合沿海某電廠具體案例，分別從設(shè)備的潮濕、潔凈情況和憎水性能等方面對勵磁轉(zhuǎn)子絕緣電阻異常原因進(jìn)行了分析，并提出應(yīng)對措施。實踐表明，通過在勵磁碳刷間內(nèi)設(shè)置熱風(fēng)干燥回路、直流封母做穿墻封堵以及設(shè)置防潮加熱器等措施，可明顯改善勵磁碳刷間各勵磁轉(zhuǎn)子設(shè)備和勵磁直流封母線濕度，能有效解決勵磁轉(zhuǎn)子外絕緣異常問題，對解決類似問題具有借鑒價值。

關(guān)鍵詞：靜態(tài)勵磁發(fā)電機(jī)；勵磁轉(zhuǎn)子；絕緣受潮；憎水性；熱風(fēng)干燥

中圖分類號：TM 621" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著電力市場改革的深化，電網(wǎng)對發(fā)電機(jī)組的調(diào)控要求不斷提升。發(fā)電機(jī)組需要嚴(yán)格遵照電網(wǎng)調(diào)度要求啟?；騻溆?，如果出現(xiàn)啟動不及時的情況，不僅會影響電網(wǎng)安全，還會受電網(wǎng)嚴(yán)厲的電量考核。發(fā)電機(jī)組啟動條件之一就是定子轉(zhuǎn)子絕緣合格，根據(jù)DL/T 596《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》要求，對于300MW以上的隱極型電機(jī)，在10℃～30℃下，轉(zhuǎn)子繞組絕緣不低于0.5MΩ；對于一般母線，絕緣電阻不低于1MΩ/1kV[1]。

本文調(diào)查了珠三角沿海地區(qū)6家發(fā)電廠的不同型號的靜態(tài)勵磁發(fā)電機(jī)組，包括7臺330MW全氫冷同步發(fā)電機(jī)，2臺660MW水氫氫冷同步發(fā)電機(jī)，2臺的300MW全氫冷同步發(fā)電機(jī)和2臺150MW空冷同步發(fā)電機(jī)。當(dāng)環(huán)境濕度＞80%時，均出現(xiàn)勵磁轉(zhuǎn)子絕緣不合格的情況，因此解決該問題具有重要意義。

靜態(tài)勵磁發(fā)電機(jī)的勵磁轉(zhuǎn)子設(shè)備結(jié)構(gòu)基本相同，包括勵磁直流回路（滅磁開關(guān)之后）、勵磁直流封閉母線、勵磁碳刷基座臺板內(nèi)的銅母排、勵磁碳刷架、轉(zhuǎn)子滑環(huán)、導(dǎo)電螺桿以及轉(zhuǎn)子繞組等部分。本文從珠海某電廠QFR-340-2-16型靜態(tài)勵磁發(fā)電機(jī)的實踐案例出發(fā)，分析勵磁轉(zhuǎn)子絕緣異常原因和應(yīng)對措施。

1 影響勵磁轉(zhuǎn)子外絕緣的因素

某種瀝青云母絕緣材料施加直流電壓產(chǎn)生的電流類型如圖1所示。向絕緣材料施加一個直流電壓時，產(chǎn)生的總電流由4個分量電流組成，包括表面泄漏電流IL、電容電流IC、電導(dǎo)電流IG和吸收電流IA[2]。對于表面不潔凈且濕潤的絕緣材料，總電流以泄漏電流IL和電導(dǎo)電流IG為主，即絕緣體不隨時間變化的表面電流和吸潮后產(chǎn)生的體積電流。

相關(guān)研究表明，當(dāng)絕緣材料表面受潮固然會使絕緣電阻下降，但如果絕緣體表面足夠潔凈，設(shè)備施加足夠能量的電源后，表面泄漏電流IL產(chǎn)生的熱量使潮氣蒸發(fā)，泄漏電流基本消失。相反，如果絕緣體表面十分臟污，污穢物中溶于水膜的鹽分或?qū)щ姵煞质菇^緣體表面導(dǎo)電率增加，泄漏電流大幅增加并產(chǎn)生熱量，使潮氣蒸發(fā)，形成部分干燥區(qū)域（由于表面臟污分布不均，因此電流密度不均勻，電流密度大的區(qū)域易干燥），干燥區(qū)域電場較大，形成各種類型的電弧放電，產(chǎn)生的局部過熱會使絕緣材料碳化，嚴(yán)重時會貫穿兩極，形成嚴(yán)重短路。

另外，絕緣電阻還受絕緣材料憎水性能得到影響。一些絕緣材料憎水性較差，水蒸汽在材料表面凝結(jié)成水珠。材料表面被潤濕，并通過毛細(xì)作用將水吸入，具體表現(xiàn)為材料潤濕角＜90°。如果水珠被吸入材料內(nèi)，就會導(dǎo)致泄漏電流IL和電導(dǎo)電流IG增加。

綜上所述，絕緣材料表面受潮、臟污和憎水性能差是影響外絕緣的主要因素。

2 勵磁轉(zhuǎn)子絕緣電阻異常原因分析

2.1 潮濕原因

靜態(tài)勵磁發(fā)電機(jī)的勵磁直流回路（滅磁開關(guān)之后）包括勵磁直流封閉母線、勵磁碳刷架和轉(zhuǎn)子滑環(huán)等部分。其中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組采用干燥的氫氣冷卻，勵磁系統(tǒng)整流模塊則長期在干燥的空調(diào)室內(nèi)，受潮可能性均較小。經(jīng)該電廠技術(shù)人員長期觀察，易受潮的區(qū)域主要包括勵磁碳刷間內(nèi)各勵磁轉(zhuǎn)子設(shè)備和勵磁直流封閉母線。

2.2 潔凈原因

潔凈原因如下所示。1）勵磁碳刷間內(nèi)各勵磁轉(zhuǎn)子設(shè)備。勵磁碳刷在高速旋轉(zhuǎn)的集電環(huán)上摩擦，產(chǎn)生大量碳粉。第一部分碳粉被滑環(huán)正、負(fù)極間的引風(fēng)機(jī)吸入，由臺板內(nèi)的空間和勵磁碳刷小間的風(fēng)罩送至外界；第二部分碳粉則附著在碳刷架、集電環(huán)絕緣套筒、銅母排的環(huán)氧樹脂絕緣漆外表面、環(huán)氧樹脂固體夾件以及風(fēng)罩內(nèi)部。如果發(fā)電機(jī)碳刷間內(nèi)有軸承，其產(chǎn)生的油煙會加重上述第二部分碳粉的附著。因此勵磁碳刷間內(nèi)絕緣件易臟污并影響絕緣。2）勵磁直流封閉母線。透氣孔上設(shè)置了密度較高的過濾網(wǎng)，母線對粉塵過濾具有一定效果，但無法過濾廠房附近潤滑油、密封油和EH油等系統(tǒng)產(chǎn)生的油煙，因此封母內(nèi)絕緣件上會附著油污。

2.3 絕緣材料憎水性能原因

2.3.1 勵磁碳刷間

勵磁碳刷間內(nèi)具有絕緣作用的包括集電環(huán)絕緣套筒、碳刷架的工程塑料件和環(huán)氧樹脂板、銅母排上的環(huán)氧樹脂絕緣漆以及固定銅母排的環(huán)氧樹脂夾件。該電廠技術(shù)人員對上述絕緣件采用噴水壺進(jìn)行噴水測試。通過肉眼觀察可發(fā)現(xiàn)絕緣套筒和碳刷架環(huán)氧樹脂板的水珠形狀處于浸濕狀態(tài)（0°＜潤濕角θ＜90°）。

由于銅母排上的環(huán)氧樹脂絕緣漆和固定銅母排的環(huán)氧樹脂夾件不便于觀察，分別對7個夾件（正極4個，負(fù)極3個）和銅母排端部進(jìn)行增濕處理，并測量勵磁銅排對底座絕緣（環(huán)境為溫度25℃，濕度86%）。直流勵磁母線絕緣試驗結(jié)果見表1。

由表1試驗結(jié)果可知，銅母排正極#4夾件位置和銅排端部裸露部門受潮時，母排對底座絕緣下降較明顯。

2.3.2 勵磁直流封閉母線

對封母的環(huán)氧樹脂板采用噴水壺進(jìn)行噴水測試。通過肉眼觀察可發(fā)現(xiàn)絕緣件上的水珠形狀處于浸濕狀態(tài)（0°＜潤濕角θ＜90°）。因此該環(huán)氧樹脂板憎水性能不強(qiáng)。

3 外絕緣異常的應(yīng)對措施

3.1 勵磁碳刷間各勵磁轉(zhuǎn)子設(shè)備防潮處理

3.1.1 熱風(fēng)干燥回路設(shè)置

針對勵磁碳刷間內(nèi)各勵磁轉(zhuǎn)子設(shè)備所在環(huán)境潮濕、絕緣材料憎水性能較差問題，該電廠提出了一種干燥方案，即在勵磁碳刷間內(nèi)設(shè)置熱風(fēng)干燥回路，如圖2所示。對勵磁碳刷間內(nèi)的滑環(huán)絕緣套筒、碳刷架絕緣支撐和臺板內(nèi)部母排的絕緣件等勵磁轉(zhuǎn)子設(shè)備進(jìn)行熱風(fēng)烘干，減少絕緣材料上水分的凝結(jié)，提升絕緣電阻。

從圖2可以看出，該電廠在勵磁小間兩側(cè)各布置一臺熱風(fēng)機(jī)，在碳刷架風(fēng)罩設(shè)置進(jìn)風(fēng)接口，并通過隔熱風(fēng)管連接，使風(fēng)管從兩側(cè)對勵磁刷架送熱風(fēng)。熱風(fēng)其中一部分進(jìn)入風(fēng)罩內(nèi)部，通過兩側(cè)正、負(fù)極滑環(huán)處流至勵磁小間環(huán)境中，將滑環(huán)絕緣套筒、刷架絕緣支撐烘干。另外一部分熱風(fēng)進(jìn)入風(fēng)罩內(nèi)部，通向底座臺板內(nèi)，將母排絕緣支撐烘干，再通過勵磁小間抽風(fēng)機(jī)的出風(fēng)道排出。

3.1.2 傳熱分析和設(shè)計

為了提升熱風(fēng)干燥的絕緣效果且絕緣材料溫升不超過限制，對熱風(fēng)風(fēng)路進(jìn)行傳熱分析和設(shè)計，目的是估算熱風(fēng)機(jī)所需功率，設(shè)計各部件的溫升，確保絕緣材料表面溫度不超過B級溫升考核要求，即130℃，同時滿足絕緣材料表面溫度高于當(dāng)前潮濕環(huán)境溫度的要求。風(fēng)道內(nèi)的熱風(fēng)對設(shè)備主要進(jìn)行熱對流換熱，將流道等效成一個直徑為d的圓柱管，可采用牛頓冷卻定律計算，如公式（1）所示。

P=h·A·（Ts-Tf） " " （1）

式中：P為單位時間內(nèi)通過流體的熱量；A為傳熱面積；Ts和Tf分別為物體表面和流體的溫度；h為對流換熱系數(shù)，該數(shù)值需要進(jìn)一步驗算。

由于對流換熱系數(shù)h的計算方法與氣體雷諾數(shù)Re相關(guān)，如公式（2）所示。

（2）

式中：Q為單位時間熱風(fēng)的體積流量，熱風(fēng)機(jī)流量至少為500m3/h；d為管內(nèi)徑，最大估算為0.8m；S為流道截面積；v為空氣動力黏度，14.8×10-6m2/s。

得出雷諾數(shù)為14943＞10000，處于旺盛的紊流狀態(tài)，可采用迪圖斯-貝爾特公式計算對流換熱系數(shù)h，如公式（3）所示。

（3）

式中：k為絕緣材料導(dǎo)熱系數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場材料組成選取k=0.65；Pr為普朗特數(shù)，該環(huán)境壓力溫度下，選取Pr=0.707。

下面進(jìn)行熱風(fēng)干燥的熱平衡分析。熱風(fēng)干燥的熱平衡圖如圖3所示。根據(jù)現(xiàn)場試驗測算，所有損耗和排出熱量的占比（P1+P5+P6）最大不超過45%。結(jié)合公式（1）～公式（3），風(fēng)溫Tf設(shè)計恒定控制在65℃，絕緣表面Ts加熱至50℃，溫差為15℃，采用Q=500m3/h熱風(fēng)量。下面對各部件的熱對流參數(shù)進(jìn)行計算（v=14.8×10-6m2/s，k=0.65）。

如表2所示，碳刷架、集電環(huán)和臺板內(nèi)部母排絕緣材料的換熱量P2、P3、P4分別為1426W、1315W和2761W，總計5502W，考慮最大的損耗和排出熱量，總輸入熱量應(yīng)至少為10kW。因此送風(fēng)的參數(shù)應(yīng)設(shè)置為10kW、500m3/h和65℃。

3.1.3 干燥效果檢查

干燥方式優(yōu)化后，在環(huán)境溫度32℃、環(huán)境濕度83%的條件下，該電廠測試了#1發(fā)電機(jī)勵磁碳刷熱風(fēng)烘干效果，結(jié)果見表3。優(yōu)化前，勵磁轉(zhuǎn)子絕緣由打不起壓至絕緣合格（0.5MΩ）需要20h，優(yōu)化后只需要1h，為機(jī)組啟動準(zhǔn)備節(jié)省了大量時間，確保機(jī)組按照電網(wǎng)要求及時啟動，避免出現(xiàn)電網(wǎng)考核。

3.2 勵磁直流封母線防潮處理

3.2.1 直流封母做穿墻封堵

該電廠為解決潮濕空氣在穿墻處冷凝問題提出解決方案，在直流封母位于勵磁配電間處做穿墻封堵。利用云母材料絕緣性能強(qiáng)、導(dǎo)熱系數(shù)低的特點，在穿墻處將云母作為封堵和支撐材料，并在夾層中填充保溫棉，充分降低熱傳導(dǎo)，取得了良好的絕緣效果。

穿墻封堵內(nèi)、外濕度對比曲線圖如圖4所示。在直流封母的穿墻封堵內(nèi)、外分別安裝一個在線濕度測試儀（為確保數(shù)據(jù)真實性，關(guān)閉直流封母防潮加熱器），記錄一天內(nèi)的濕度情況（該天的平均環(huán)境溫度為30℃，平均相對濕度為85%）?？梢钥闯?，穿墻封堵內(nèi)部的濕度有明顯改善。

3.2.2 設(shè)置防潮加熱器

該電廠技術(shù)人員在勵磁直流封母設(shè)置防潮加熱器，提升封母內(nèi)溫度，減少凝露的發(fā)生。直流勵磁封母內(nèi)、外濕度對比曲線圖如圖5所示。在直流封母內(nèi)安裝2個在線濕度測試儀，開啟電加熱器，記錄一天內(nèi)濕度情況（該天的平均環(huán)境溫度為34℃，平均相對濕度為84%）。由此可見，直流封母內(nèi)部的濕度有明顯改善。

3.3 其他應(yīng)對措施

該電廠技術(shù)人員加強(qiáng)勵磁碳刷間內(nèi)各勵磁轉(zhuǎn)子設(shè)備和勵磁直流封母的定期清潔，保持設(shè)備良好潔凈度，從而提升絕緣電阻。為了減少勵磁碳刷間內(nèi)的碳粉污染，部分電廠安裝了碳粉除塵器，對提升該區(qū)域設(shè)備絕緣具有一定作用。部分電廠采用憎水性能強(qiáng)的DMC絕緣材料替換環(huán)氧樹脂絕緣材料，取得了一定成效。

4 結(jié)語

本文從珠海某電廠靜態(tài)勵磁發(fā)電機(jī)提升勵磁轉(zhuǎn)子外絕緣的實踐案例出發(fā)，分析外絕緣下降的原因，并提出若干解決方案。其中對勵磁轉(zhuǎn)子各設(shè)備易受潮和臟污區(qū)域的分析和絕緣材料憎水性能測試方法可為其他發(fā)電廠提供參考，勵磁碳刷間內(nèi)設(shè)置熱風(fēng)干燥回路、直流封母做穿墻封堵、設(shè)置防潮加熱器等方案也可應(yīng)用于其他電廠，對解決勵磁轉(zhuǎn)子絕緣異常問題具有一定借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1]全國電力設(shè)備狀態(tài)維修與在線監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程：DL/T 596[S].北京：中國電力出版社，2021：8，96.

[2]嚴(yán)璋.高電壓絕緣技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2019.