發電機定子線圈燒毀原因分析與處理

賀文靜，黃智雄

(四川嘉陵江小龍門航電開發有限公司，四川南充 637000)

發電機定子線圈燒毀原因分析與處理

賀文靜，黃智雄

(四川嘉陵江小龍門航電開發有限公司，四川南充 637000)

小龍水電站安裝的豎井貫流式機組為國內首次試驗制造，在國際上的應用也非常罕見，運行中不可避免地會逐漸暴露出設計與制造中存在的缺陷。對3號發電機定子線圈燒毀原因進行了分析和總結，提出了對其余發電機采取的預控處理方法和工藝要求，可為同類機組類似問題提供借鑒;同時，警示同類機組在設計與制造時應加以重視，從根本上杜絕此類缺陷。

線圈;燒毀;3號發電機;分析與處理;小龍水電站

1 概述

小龍水電站位于嘉陵江中游南充市順慶區和高坪區河段上，是《嘉陵江蒼溪至合川段水電規劃》嘉陵江廣元至重慶段16級開發方案中的第11級。該工程是一個以開發水電資源和渠化航道、發展航運和地方經濟相結合的、兼有美化城市環境和發展旅游等綜合效益的項目。電站安裝了4臺由東方電機有限公司生產的、亞洲單機容量最大的豎井貫流式機組。該機組由水輪機、增速器和發電機等部件組成，機組結構示意圖與主要技術參數分別見圖1和表1。

圖1 機組結構示意圖

表1 機組主要參數表

2 故障情況

小龍水電站3號機組于2008年12月30日投產。2013年12月9日15時16分(此前機組停機備用26．5h)，運行值班人員在監控系統上位機上執行“停機”至“空轉”流程并在其正常后執行“空轉”至“空載”流程后發電機保護裝置報“差流啟動”，機組事故停機。維護人員在發電機互感器柜處測量定子帶電纜對地絕緣電阻為零，經檢查，電纜沒有問題，初步判斷定子繞組可能存在缺陷。為盡快判明故障類型并查找出故障點，在將發電機定子引出線和中性點拆開后搖測定子繞組A相和C相絕緣電阻為零;又將發電機上游側端蓋拆除，發現定子引出線接頭下部位置有明顯的燒壞痕跡，繞組內部油污、碳粉附著較嚴重(圖2)，定子機座下部積油嚴重。經判斷，定子A、C兩相擊穿短路部位位于線圈端部綁扎部分正X偏正Y30°(順水流方向)。經解體后檢查未發現發電機定、轉子有劃痕。

圖2 3號發電機定子線圈燒毀情況

3 故障產生原因分析

分析發電機定子線圈燒毀的原因需先了解發電機的結構、各部功能原理以及其是否曾經出現過類似問題。

3．1 發電機結構

機組為臥式水平結構布置方式，發電機為高速凸極同步發電機，從上游至下游主要部件依次為集電環、前軸承、定轉子及冷卻器、后軸承、制動閘。轉子兩端設置座式滑動軸承，共同承擔發電機轉動部分的重量，每個軸承油池深約350mm，軸承與轉子相鄰端部僅約200～300mm，整個發電機的正反推力負荷由設于增速器齒輪箱內的正反推力軸承承受。發電機采用開啟式通風和外供水冷卻方式。

3．2 發電機通風冷卻原理

發電機采用開啟式自循環混合式通風原理。轉子磁軛兩端各安裝了16只依靠轉子旋轉產生風力的螺旋槳式風扇用于軸向通風，風的流向為冷風經設置于磁極端部的螺旋槳式風扇加壓后軸向進入轉子磁極間并與轉子磁極旋轉壓頭串聯，與吹拂磁極線圈后的風共同進入氣隙，再經過定子通風溝后由鐵芯背部流出并在定子機座內部旋轉后到達空氣冷卻器入口，經兩個空氣冷卻器冷卻后的冷風進入發電機豎井構成完整的循環風路。發電機冷卻系統風流向見圖3。

3．3 集電環

集電環直徑為500mm，線速度為19．625m/ s，共布置了22只摩根NCC634碳刷。

3．4 定子線圈曾經出現過的故障

2013年3月，在定子繞組做直流耐壓及泄漏試驗時繞組端部+Y方向曾出現過放電擊穿現象，廠家對該部位進行了重新包扎。

3．5 定子線圈燒毀的原因

從發電機結構原理和通風冷卻原理可以看出:發電機前后軸承座油池較淺、容積較小，機組運行期間極易產生油霧，且軸承未設置消除油霧或阻礙油霧外泄的裝置;機組停機制動時，制動閘與制動環摩擦產生粉末，制動閘沒有粉末回收裝置;機組高速運轉下，碳刷與集電環摩擦產生碳粉，集電環也沒有碳粉回收裝置，部分油霧、碳粉等污物隨機組冷卻風進入發電機內部而污染定、轉子線圈。由于該類型發電機尺寸較小，無法在日常定期維護工作中清掃定、轉子上附著的油污和碳粉，隨著時間的推移，污染物不斷侵蝕定子線圈絕緣，使其絕緣水平逐漸下降，在停機熱備用26．5h后機組開機、定子升壓過程中，故障點絕緣外部的電位接近或等于導線電位，此時，處于高電位的不同相引線間即開始放電，直至發生A、C兩相絕緣被擊穿并短路的故障。由于該定子線圈先后兩次出現放電擊穿和燒毀事件，因此，初步判斷本次線圈燒毀的另一個可能的原因是定子線圈局部絕緣薄弱。由于解體檢查時未發現定、轉子有劃痕，故在故障原因分析時沒有再考慮異物(包括磁性異物)破壞絕緣的情況。

圖3 發電機冷卻系統風流向示意圖

4 處理措施

4．1 3號發電機的故障處理情況

(1)定子線圈的故障處理情況。原計劃采用備品線圈更換燒壞的定子線圈。但在實施過程中因定子線圈油污、碳粉污染較嚴重等原因，廠家最終決定更換全部定子線圈。

(2)發電機其余部位的故障處理情況。

①將硬度稍低的MorganNCC634碳刷更換成硬度略高的SchunkE468碳刷，以減少摩擦產生的碳粉數量。兩種碳刷相關性能參數見表2。

表2 碳刷性能參數對比表

②在集電環與制動閘處均增設了吸碳粉裝置，用于收集碳刷與集電環摩擦產生的碳粉和制動閘與制動環摩擦產生的金屬粉末，防止其進入發電機內部。

③將發電機前后軸承座的油池深度擴大了一倍，增加了油池容積，加大了排油管路直徑，減少了油霧的產生。

④在前后軸承增設了氣密封油擋，用于防止油霧外泄隨冷卻風進入發電機內部。

4．2 對其余發電機進行預控處理的方法和工藝要求

(1)定子線圈預控處理采用的方法和工藝要求。

我廠其余3臺發電機受油和碳粉污染的情況與3號機組類似。為防止污染物影響發電機絕緣而釀成類似3號發電機的故障，必須立即對發電機定、轉子進行全面的清洗，使發電機絕緣性能處于良好狀態。處理方法和工藝要求如下:

①拆卸發電機定、轉子與外部的連接，并將其運至整潔的工作場地分離、固定。

②測試發電機定、轉子絕緣參數并記錄。

③選用清洗劑時，盡量選用不易燃、刺激性小、清洗后揮發完全、無殘留的帶電清洗劑。施工現場應遠離火源，防靜電，做好防火、通風等安全措施，施工人員應戴具有防護功能的口罩、眼鏡和手套。

④將氣動噴槍的一端接入0．4～0．6MPa的壓縮空氣，將發電機定、轉子表面的碳粉等污物吹掉，然后用氣動噴槍吸入帶電清洗劑，分別對定子和轉子進行噴射式清洗。對于油污特別嚴重的部位應在噴射后稍等片刻，使油污充分溶解后再進行噴洗，洗凈后用噴槍接壓縮空氣風干。

⑤仔細檢查定、轉子表面有無絕緣碳化等異常現象，若發現異常，應進行相應的處理。

⑥使用電氣設備防潮、防腐蝕絕緣保護劑對發電機定、轉子進行噴涂、風干，將受潮部位水分驅除，恢復絕緣電阻值。

⑦再次測試發電機定、轉子絕緣參數應不低于清洗之前的數據并記錄。必要時，可對發電機定子進行泄漏電流和直流耐壓試驗，進一步檢查發電機定子絕緣水平。

(2)其余機組發電機的其余部位處理要求同3號機組。

5 結語

在低水頭、大流量水力發電機組中，豎井貫流式與燈泡貫流式機組相比具有發電機尺寸小、重量輕、投資少和檢修維護方便以及水頭更低等優勢，在國內外有限的清潔能源——水電資源開發中，超低水頭豎井貫流式機組的運用在一定時期內必將成為主流。小龍水電站首次試驗應用的豎井貫流式機組發電機定子線圈燒毀的原因和誘因是多方面的，有些缺陷可能還沒有暴露出來，亦有可能是致命的。因此，加強對此類機組全方位的監測，正確面對所遇到的各種缺陷和技術難題，與設備設計制造廠家一道，舉一反三，認真分析，著力解決并不斷總結完善，從設計與制造上及時運用總結完善的成果，填補和完善超低水頭電站豎井貫流式機組的空白。

TV7;TV738;TV734

B

1001-2184(2014)01-0101-04

賀文靜(1976-)，男，四川簡陽人，總經理，高級工程師，從事航電樞紐技術與管理工作;

(責任編輯:李燕輝)

2014-07-09

黃智雄(1980-)，男，四川南充人，副總工程師，工程師，從事航電樞紐技術與管理工作．