水輪發電機磁極絕緣電阻過低的原因分析及處理

舒 均 盛

（浙江省緊水灘水力發電廠，浙江 麗水 323000）

前言

緊水灘水電廠是浙江省甌江干流的一個大型水電站，裝有 6臺立式水輪發電機組，型號為SF-K50-30/6400，額定功率 50MW，轉子額定電壓163V，共有30個磁極。其中3號機于1987年底投產，已經運行了二十多年，運行情況一直良好。2007年9月，該機組進行大修，大修前用1000V兆歐表測得轉子對地絕緣電阻為10M?。在大修過程中用GD-1帶電清洗劑進行清洗，然后用1000V兆歐表測量轉子對地絕緣電阻，開始測量時絕緣電阻阻值約為 20M?，約20秒鐘后絕緣電阻突然降為 0。低于《電力設備預防性試驗規程》中的要求值0.5M?，出現了轉子絕緣過低故障。

1 故障部位確定與故障性質的判斷

由于轉子絕緣電阻為0，初步判斷是轉子的某一部位出現直接接地現象，為了進一步判斷故障的部位，在轉子的兩極加入200A直流電流，測量轉子各磁極對地電壓，發現13號磁極對地電壓最低，為電壓的過零點，初步判斷13號磁極內部有故障。詳細數據如表1、圖1所示。

為了判斷該故障是否為臨時性故障，是否可用沖擊電壓法消除。于是對轉子施加沖擊電壓，聽到13號磁極內部發出“啪”的一聲響。再次測量轉子絕緣電阻，轉子絕緣電阻為0.2 MΩ，可以確定是磁極內部發生了永久性的故障，用電壓沖擊法不能將該故障消除。

表1 轉子各磁極電壓表 （輸入直流電流200A）

圖1 轉子各磁極電壓分布

拆除13號磁極兩側的電氣軟接頭，測得13號磁極對地絕緣電阻僅為0.2 MΩ， 12號磁極至轉子引線、14號磁極至轉子引線的絕緣電阻分別為500 MΩ、100 MΩ。說明轉子13號磁極內部確實存在故障，因此需要對13號磁極進行解體檢修。

2 故障現象

拆除13號磁極兩側的阻尼環接頭，拔出磁極鍵，將該磁極吊離轉子，然后對磁極進行全面檢查，并進行解體，具體現象如下：

（1）磁極壓板與鐵心的上下端部之間間隙過大，特別是端部的四個角上有1～2cm間隙。

（2）磁極和鐵心線圈的上下兩個端部及其兩者之間的環氧絕緣隔板有很多碳粉。

（3）磁極線圈靠近極靴部分有一個地方銅導體完全裸露，其附近的絕緣被擊穿，絕緣材料已經碳化，如圖2所示。

圖2 磁極線圈故障點照片

（4）位于磁極線圈與磁極鐵心之間的環氧絕緣板靠近極靴部位也有明顯的燒傷現象，如圖3所示。這些現象可能是對轉子電壓沖擊過程中出現的。

（5）極靴內表面絕緣漆存在明顯缺陷，絕緣漆多處不完整，沒有將金屬部位全部覆蓋，很多部位金屬直接裸露在外面，如圖4所示。

圖3 絕緣板燒傷點照片

圖4 極靴內表面絕緣漆照片

3 故障原因分析

根據磁極的結構特點，磁極線圈與極靴、壓板、鐵心之間通過與磁極線圈兩側粘連的環氧絕緣板以及磁極線圈與鐵心之間的環氧絕緣隔板提供絕緣，如圖5所示。在正常的情況下，機組運行時轉子的額定電壓只有163V，轉子對絕緣的要求不高，磁極線圈銅導體某些部位裸露是允許的，而且我國很多機組的磁極也普遍存在這種現象，那么為什么還會出現故障呢，現將故障的原因分析如下：

水輪發電機在運行過程中，碳刷因為與滑環摩擦產生許多碳粉，這些碳粉有相當一部分會進入發電機內部。由于發電機機采用雙路自循環徑向密閉通風形式，采用轉子自轉打風作用進行空氣循環。這部分碳粉隨著通風冷卻系統的氣流運動，最后附著在定、轉子的表面。因為發電機轉子磁極壓板的上下兩個端部與鐵心之間存在較大的間隙，特別是端部的四個角最大間隙達2厘米，所以有一小部分碳粉就通過這些間隙進入磁極內部。這部分碳粉由于轉子的旋轉受到離心力的作用，逐漸向極靴方向運動，并最終聚集在磁極的極靴內表面。隨著時間的推移，在磁極上下端部線圈與鐵心之間靠近極靴部位的碳粉會越積越多，鐵心線圈及其環氧絕緣板、環氧絕緣隔板、極靴內表面充滿了碳粉。由于極靴內表面絕緣漆不完整，有金屬直接暴露在外面。同時磁極線圈上端部靠近極靴部位表面絕緣層不完整，存在導體裸露現象。這樣就在磁極線圈與極靴之間構成一個通道，使磁極整體絕緣性能下降，嚴重威脅機組的安全運行。該發電機轉子共有30個磁極，13號磁極基本上處于轉子回路的中間部位，因此正常運行時對地電壓很低，如果按電壓平均分布進行計算，該磁極對地電壓僅為16.3V，因此在機組在運行過程中并沒有出現故障。在對轉子進行絕緣電阻測量時，由于施加在故障磁極上的電壓等于兆歐表的額定電壓 1000V，遠遠大于故障磁極所能承受的最大電壓，因而出現如前文所述的試驗現象。

圖5 磁極結構圖

4 故障處理

為了消除磁極故障，對磁極進行以下處理：

（1）清掃磁極線圈、鐵心、環氧絕緣隔板。

（2）將磁極線圈故障點和絕緣板已經碳化的絕緣材料（環氧樹脂）刮除，涂上環氧樹脂進行絕緣修補。

（3）將磁極線圈所有裸露的銅導體刷環氧樹脂加強絕緣。

（4）將極靴內表面金屬裸露部分涂上絕緣漆。

（5）將磁極進行重新組裝，組裝后用填料將壓板與鐵心之間的間隙全部封堵，防止碳粉進入磁極。

磁極組裝后測得絕緣電阻為500MΩ，說明磁極內部故障已經消除。將磁極安裝到轉子磁軛上，并連接兩側軟接頭和阻尼環，重新測量轉子絕緣電阻，轉子絕緣電阻為500MΩ。

該故障處理后機組已經累計安全運行達四年，在四年中該磁極運行情況良好，說明本次故障處理是成功的。

注意事項：

在組裝過程中要特別注意在焊接壓板時要分多次焊接，每次焊接后要重新調節壓板與鐵心之間的平面度，以防止壓板因受熱而變形。同時在焊接磁極壓板時應采取措施防止磁極再次故障時無法進行解體。

5 防止類似故障的建議

為了防止類似故障的發生，可以從以下幾個方面采取改進措施：

（1）磁極的鐵心與壓板間隙一定要小，必要時用填料對間隙進行封堵，完全阻斷碳粉進入磁極內部的通道，防止磁極絕緣過低故障。

（2）在磁極鐵心的內表面，特別是在極靴兩個端部表面應涂一層絕緣漆，這一層絕緣漆應有足夠的電氣絕緣強度，并且表面不能有任何破損，以防止發生磁極接地故障。

（3）提高磁極線圈的整體絕緣水平，特別是提高

靠近極靴部位的線圈絕緣水平，減少線圈導體的裸露。

[1]DL/T 817-2002, 立式水輪發電機檢修技術規程[S].

[2]DL/T 596—1996, 電力設備預防性試驗規程[S].

[3]劉保德. 水輪發電機轉子磁極線圈故障分析及處理[J].湖北電力, 1995: (2).