水輪發(fā)電機組轉子絕緣下降的原因分析及處理

鄧惠君

(國電新疆開都河流域水電開發(fā)有限公司，新疆 庫爾勒 841000)

水輪發(fā)電機組轉子絕緣下降的原因分析及處理

鄧惠君

(國電新疆開都河流域水電開發(fā)有限公司，新疆 庫爾勒 841000)

詳細闡述了碳粉油泥形成的原因、引起轉子絕緣下降的原理，以及絕緣下降帶來的危害，并通過多種方法加以處理，解決了因碳粉油泥引起的絕緣下降快的難題，為有此類問題的發(fā)電機組以及大型電機提供了解決方案。

發(fā)電機組；集電環(huán)；碳粉；絕緣下降；原因

0 引言

水輪發(fā)電機組的集電環(huán)是將勵磁電流導向轉子線圈的接線端，作為高速滑動的接觸部件，其與碳刷的滑動接觸勢必會導致碳刷的磨損，而磨損形成的碳粉會附著在集電環(huán)上，當碳粉在集電環(huán)的絕緣部位不斷積聚時，就會引起轉子絕緣的下降。許多電廠由于種種原因會有集電環(huán)碳刷磨損嚴重、碳粉較多的問題，從而導致轉子絕緣下降快，不得不被迫停機處理碳粉。本廠3臺機組均有此類問題，每臺機每季度清掃一次碳粉，針對此種情況，經(jīng)過分析試驗，提出減緩轉子絕緣下降快的措施。

1 本廠機組相關設備介紹

本廠機組為懸式機組，機組有推力軸承、上導軸承、下導軸承、水導軸承4道軸承，發(fā)電機部分有上風洞、風洞、下風洞的區(qū)別，上風洞為上機架向上至推力油槽底部，空間比較狹小，其中集電環(huán)就處于上風洞中，集電環(huán)上部為推力油槽，下部為上導油槽。集電環(huán)的結構示意圖如圖1所示。

圖1 集電環(huán)的結構示意圖

集電環(huán)通過支撐環(huán)套在機組大軸上，上下導電滑環(huán)通過絕緣套管和絕緣子固定在支撐環(huán)上，并與支撐環(huán)絕緣；正負極各有21個碳刷，分別分布在正負極的刷架上，刷架通過絕緣套管和絕緣子固定在支撐桿上，并與支撐桿絕緣；支撐桿固定在上風洞頂部，正負極轉子引線頭分別固定在上下導電滑環(huán)上。

2 存在的問題

轉子絕緣下降的原因有很多種，而碳粉油泥引起的絕緣下降最為常見，且具有反復性。油泥碳粉往往堆積在集電環(huán)上，附著在絕緣部位引起絕緣降低，油泥碳粉長時間的堆積甚至還會滲入到絕緣材料中，破壞絕緣材料并造成絕緣降低。同理，碳刷刷架支撐桿上的絕緣也會受到碳粉油泥的影響而使轉子絕緣降低。為此有的電廠甚至不得不每月停機一次去處理集電環(huán)上的油污和碳粉，本廠也有碳粉油泥引起轉子絕緣下降快的問題，并為此多次分析原因尋找處理的方法。

3 引起集電環(huán)油泥碳粉積聚的原因

集電環(huán)上油泥、碳粉的積聚是由多方面原因形成的：

(1) 造成碳粉多的原因：碳刷材質軟；卡簧彈力過大：集電環(huán)接觸面不光滑；集電環(huán)為橢圓或圓心不在旋轉中心上。

(2) 油霧污染集電環(huán)的原因：集電環(huán)所處的位置附近有油槽，且環(huán)境較封閉、空氣流通不暢、溫度高，油槽密封性不好、滲油等多種原因疊加，導致油霧與碳粉混合更容易附著在集電環(huán)上，加速轉子絕緣的下降。

4 集電環(huán)臟污引起轉子絕緣降低的原理

集電環(huán)安裝在機組大軸上，通過絕緣子將集電環(huán)的導電滑環(huán)與大軸隔離開來，機組在旋轉過程中，由于離心力作用，碳粉會附著在集電環(huán)和絕緣子靠近大軸的內側，并且轉子線圈正負極的引線頭表面和刷架支撐桿絕緣子也極易積聚碳粉和油污，再加上油霧的影響使得碳粉更加容易附著，當碳粉在絕緣子和引線頭表面上積聚較多時，使得集電環(huán)導電部分與大軸、上機架之間的泄漏電流增加，轉子絕緣下降。而當碳刷磨損嚴重碳粉較多、油霧較大時，碳粉積聚就會加快，轉子絕緣就會加速降低。為了不發(fā)生事故，當轉子絕緣下降到一定值時就必須停機清理碳粉，如果不解決上述問題，勢必會給機組的正常發(fā)電運行帶來影響。

5 碳粉油泥引起轉子絕緣降低帶來的危害

(1) 碳粉油泥引起轉子接地故障或保護跳機。當轉子絕緣降低到一定值時，可能會引起發(fā)電機轉子回路一點接地，出現(xiàn)一點接地后，由于故障點此時無接地電流通過，對發(fā)電機不造成直接威脅，可繼續(xù)運行，當轉子絕緣電阻繼續(xù)下降時，可能觸發(fā)保護動作而停機。并且轉子一點接地后，勵磁回路對地電壓升高，更容易引發(fā)第二點接地，則會將轉子部分繞組短接，引起轉子磁場不對稱，造成機組劇烈振動，同時由于部分繞組被短接，勵磁繞組電流相應增加，轉子亦可能因過熱而損傷，造成機組非計劃停機并帶來經(jīng)濟損失。

(2) 碳粉油泥引起集電環(huán)環(huán)火事故。碳粉油泥在引起轉子絕緣降低的同時，當較多的油泥和碳粉在刷握和碳刷的間隙周圍積聚時，可能會造成個別碳刷在刷握內卡澀，使得碳刷與集電環(huán)之間接觸不良，有可能形成打火現(xiàn)象，而打火現(xiàn)象會使得集電環(huán)與碳刷的接觸面燒蝕而變得不光滑，當集電環(huán)表面被火花侵蝕后，使得集電環(huán)與其他碳刷的接觸電阻也增大，碳刷磨損更加嚴重，碳刷因接觸電阻增大而發(fā)熱嚴重，集電環(huán)高溫區(qū)域擴大，碳刷更易碎裂或膨脹卡澀，導致打火碳刷增多火花增大；同時，碳刷打火和電弧的高溫會造成碳刷的氧化，使得接觸情況不斷惡化，最終形成環(huán)火現(xiàn)象，造成刷架燒毀，集電環(huán)接觸面燒蝕，甚至使絕緣材料碳化短路，機組被迫解列。環(huán)火事故不僅帶來巨大的設備損壞，需要較長時間花費資金來檢修恢復設備，而且耽誤了機組正常的發(fā)電，帶來雙重的經(jīng)濟損失。

6 整改措施

(1) 在大修期間用壓縮空氣吹掃集電環(huán)及碳刷裝置，最好拆卸清理，用干凈白布清掃集電環(huán)、刷架、刷握及碳刷，做到清潔無油污，以防碳粉滯留在間隙里。

(2) 檢查集電環(huán)表面應光潔無麻點和凹痕，若不光滑，可拆除集電環(huán)進行接觸面車圓；若有麻點和凹痕，當凹痕深度大于0.5 mm時，應進行研磨處理。

(3) 向后調整刷握在刷架上的位置，用彈簧測力計檢測卡簧彈力，使卡簧彈力不得超過1.5 kg，這樣一定程度上減少了碳粉的形成。

(4) 在集電環(huán)的絕緣子上、緊挨集電環(huán)的大軸及集電環(huán)的支撐環(huán)上、轉子正負極引線頭上、刷架支撐桿和絕緣子上涂一層絕緣清漆，拉長集電環(huán)導電部分與接地大軸之間的爬電距離，有效減緩轉子絕緣的下降。

(5) 在集電環(huán)的絕緣子和刷架支撐桿絕緣子上平滑地纏繞防水膠帶，并在刷架支撐桿上纏繞絕緣熱縮帶，便于以后清理碳粉，也可防止碳粉侵入絕緣子內部降低絕緣。

(6) 在集電環(huán)上側的推力油槽加裝吸油霧裝置，減少油霧外漏到集電環(huán)處，將集電環(huán)下側的上導油槽端蓋嚴實密封，減少油霧外溢和杜絕滲油現(xiàn)象發(fā)生。

(7) 在每年的檢修期測量碳刷的長度，計算磨損量，一般1年不超過20 mm(此值為本廠機組經(jīng)驗值，其他機組不同，一般碳刷的磨損速度在2～6 mm/1 000 h)，如果1年的磨損量超過20 mm，則要分析是不是由于碳刷材質過軟造成的，必要時應更換材質稍硬的碳刷。

7 處理后帶來的效益

本廠1號機組大修期間經(jīng)過上述措施處理后，機組集電環(huán)碳粉清理工作由原來的每季度1次變?yōu)槊磕?次，大大減少了日常工作量，并提高了機組的安全性和穩(wěn)定性，降低了機組非計劃停機以及可能導致轉子兩點接地造成設備損壞的風險，雖然由碳粉引起的轉子絕緣降低的問題困擾著許多電廠，但是通過多種措施多方面的處理，是可以有效預防轉子絕緣快速降低的。此次的處理方法，具有參考應用價值，為有此類問題的發(fā)電機組以及大型電機提供了多種渠道的解決方案。

[1]張春，李曉林.水電站微機發(fā)電機轉子接地保護裝置的原理與設計[J].應用能源技術，2004(6)

[2]陳倉，曹浩軍.發(fā)電機集電環(huán)環(huán)火事故分析及預防[J].熱力發(fā)電，2009(10)

2014-10-30

鄧惠君(1982—)，男，湖南人，助理工程師，研究方向：水力發(fā)電廠設備運行、檢修。