某水電站發電機轉子絕緣降低原因分析與處理

瞿 大 林， 肖 啟 露， 李 侯 小， 劉 鵬

(雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都 610051)

1 概 述

對于水輪發電機而言，當其轉子回路發生一點接地故障時，由于轉子繞組沒有形成短路回路，接地點并沒有故障電流，所以并不會產生嚴重的后果。但是，如果繼續發生第二點接地故障，部分轉子繞組將被短接，接地點流過的故障電流將燒傷轉子本體，部分勵磁繞組被短接以后氣隙磁場發生的畸變會造成轉子振動的加劇。此外，轉子兩點接地后還可能發生軸系和汽輪機的磁化。這些都將嚴重威脅水輪發電機組的運行安全。因此，當發電機轉子絕緣出現降低的情況時，一定要及時分析絕緣降低的原因并進行處理。

某水電站共安裝8臺立軸式水輪發電機組，單機額定出力為600 MW，總裝機出力為4 800 MW。發電機勵磁系統采用自并勵數字式靜止可控硅勵磁，發電機的額定勵磁電壓為295 V，額定勵磁電流為2 770 A，轉子磁極對數為18對。根據《電力設備預防性試驗規程》DL/T596—1996要求，采用1 000 V MΩ表測量轉子繞組的絕緣電阻值，在室溫時一般不小于0.5 MΩ。

該水電站發電機轉子由轉子支架、磁極、磁軛、轉子引線等部分組成，轉子磁極共36個，主要由磁極鐵心、磁極線圈、阻尼繞組等組成。

1.1 轉子引線

該發電機轉子引線的正負極分別從#1磁極、#2磁極引出，沿轉子支架斜立筋通過轉子中心體沿頂軸內腔向上到達集電環，并分別與集電環正負極用螺栓把合。轉子引線俯視圖、轉子引線剖面圖分別見圖1與圖2。

圖2 轉子引線剖面圖

1.2 集電環

電站集電環由集電環支架、集電環、絕緣套管等組成。集電環安裝在上端軸上，由周圈同心分布的絕緣螺栓經法蘭把合。集電環裝配有一筒形外罩，該外罩與發電機室把合，并與發電機通風冷卻系統隔絕。集電環固定在轉軸上，隨機組轉動時與電刷滑動接觸，將勵磁電流傳遞到轉動中的勵磁繞組之中。集電環俯視圖見圖3。

圖3 集電環俯視圖

1.3 刷 架

勵磁電纜正負極從勵磁柜內引出，分別接至滑環室內刷架正負極上，用螺栓進行把合。刷架正負極通過整圓上6個支撐螺栓將刷架正極環與刷架負極環連接并固定，6個支撐螺栓上均套有絕緣套管進行絕緣隔離。刷架支撐螺栓情況見圖4。

圖4 刷架支撐螺栓圖

2 出現的故障

2017年8月，該水電站工作人員在巡檢過程中發現#1發電機轉子接地保護裝置上轉子絕緣值在175～220 kΩ之間變化(正常為保護裝置能顯示的最大值300 kΩ，報警值為10 kΩ)，接地參考位置α在20%-25%之間變化(正常為50%)。工作人員立即密切監視#1發電機轉子絕緣情況，并立即排查其余機組轉子絕緣情況，排查情況見表1。

表1 #1～#8機組轉子絕緣電阻及接地位置數據表

從表1中發現，#1、#2發電機轉子絕緣在線監測電阻值有下降現象，保護裝置顯示接地位置存在跳變現象。由于保護裝置的最大顯示值為300 kΩ，后續將#1～#8發電機逐臺停機后測量轉子絕緣并與最近一次測量值進行對比，其數據見表2。

表2 停機后測量絕緣與最近一次測量值對比表

從表2中發現，#1～#8機組停機后的測量絕緣值與最近一次測量絕緣值對比均有明顯降低。其中，#1、#2機組降低最多，且絕緣值已經降低至規程要求以下。

3 故障原因分析

3.1 發電機轉子受潮

水輪發電機組的運行環境中空氣濕度較大。由于發電機的轉子絕緣受到空氣中的水分侵蝕，若發電機停機備用時間過長，就有可能出現絕緣降低的情況。

針對該原因進行分析得知：由于該電站機組年運行小時數較大，機組連續停機備用時間較短，且電站規定一旦機組連續停機備用10 d，就要將機組開啟至空載運行1 h。該電站在發現發電機轉子絕緣有降低趨勢時，部分機組處于正常運行狀態，因此排除了該原因。

3.2 油霧影響

水輪發電機設有上導、下導、推力、水導油槽及諸多的油管路。若發電機的油槽密封不嚴，將產生油霧甚至滲油，這些油霧在機組運行時受環境溫度和風的影響大量發散并吸附在發電機各設備的表面，尤其是在發電機定轉子線圈和鐵芯表面，從而使灰塵更容易吸附在這些設備上。這些油和灰塵使轉子線圈表面更容易臟污、受潮，進而導致絕緣下降。

針對該原因進行分析得知：該電站在2017年度檢修工作中，對發電機各部位油槽進行了嚴密封閉。在水導軸承蓋板裝配了吸油霧裝置，機組各部位油霧散發量在正常范圍內，因此而排除了該原因。

3.3 機組振動擺度影響

發電機運行時的振動擺度數據是反映發電機運行工況的重要依據之一。當發電機振動和擺度超標時，會導致機組滑環處振擺超標，碳刷振動增加，進而導致碳刷磨損增多。另外，機組振動擺度越限，發電機轉子磁極的鐵芯和繞組相對振動增加，對發電機絕緣亦很不利。

針對該原因進行分析得知：該電站在2017 年度機組C修時，對發電機進行了盤車檢查，調整了發電機軸線以及軸承軸瓦間隙。調整后的發電機各部振動及擺度在定值范圍內。因此，排除了該原因。

3.4 轉子絕緣老化

發電機長期連續運行、轉子高速轉動及勵磁過程中將產生大量的熱量，使轉子周圍的溫度大幅度升高。轉子的絕緣材料長期處于高溫之下，加速了轉子線圈絕緣材料老化、劣化甚至出現局部脫落現象，進而導致絕緣電阻降低。

針對該原因進行分析得知：從電站水輪發電機運行時各部溫度情況看，發電機各軸承瓦溫、定子線圈溫度、空冷器進出風溫度等均在規程要求的正常范圍內。在年度檢修工作中，該電站全面檢查了轉子及其各附屬部件的情況，檢修后測量轉子絕緣值正常，故可排除該項為轉子絕緣降低的主要原因。

3.5 轉子回路設備絕緣破壞

發電機勵磁系統交流、直流回路中若出現電纜絕緣破損、金屬異物接地、轉子本體部件破壞等情況時，都將導致轉子絕緣降低。在這種情況下，監控系統偶發瞬時接地故障報警，嚴重時將導致機組跳閘停機。

針對該原因進行分析得知：該電站機組雖出現了轉子絕緣降低的情況，但未出現轉子瞬時接地故障和機組跳閘的情況。停機后對勵磁系統、轉子回路進行全面檢查未發現電纜絕緣破損、金屬異物接地、轉子本體部件破壞等情況。因此，可排除該項原因。

3.6 集電環碳粉堆積

上述提到，集電環室中集電環隨機組轉動時與電刷滑動接觸，將勵磁電流傳遞到轉動中的勵磁繞組之中。集電環與電刷之間的滑動摩擦會形成碳粉，時間一長就會在集電環、集電環支架、刷架等部位上堆積形成接地通道[6]，進而造成轉子絕緣降低。

針對該原因進行分析得知：在機組停機后，工作人員對各發電機集電環室進行全面檢查發現，在#1、#2機組集電環絕緣支撐及刷架絕緣支撐處碳粉堆積情況嚴重，#3～#8機組集電環絕緣支撐及刷架絕緣支撐處也有碳粉堆積，但較#1、#2機組堆積量偏少。

4 故障處理

4.1 碳粉堆積原因分析

4.1.1 集電環絕緣支撐絕緣距離偏短

該集電環絕緣支撐高度較低、形狀為凹形，磨下的碳粉容易堆積在凹形的絕緣支撐上，通過堆積的碳粉，在集電環與地之間形成了爬電通道，造成集電環的對地絕緣電阻偏小。

4.1.2 集電環原因

將#1、#2機組與其余機組碳刷的磨面進行對比發現#1、#2機組的碳刷磨面較為粗糙，具有較深的溝槽，用手感覺有明顯的凹凸感。而其余機組碳刷的磨面基本為鏡面，手感較為光滑。由此判斷有可能存在集電環水平度、表面圓跳動值大、集電環表面粗糙度大等因素造成碳刷磨損量大。

4.1.3 碳粉收集裝置效率低

在#1機組轉子絕緣電阻降低期間，電廠對發電機碳粉收集裝置進行了改造，增加了六臺風機以增強其吸塵能力，但實際效果并不明顯。同時，在機組停機備用期間，檢查發現碳粉收集裝置內部只收集到少量的碳粉，裝置底板幾乎無碳粉。由此可知，碳粉收集裝置效率低，導致無法將磨下的碳粉有效收集是造成碳粉堆積的原因之一。

4.1.4 大軸孔洞封堵

該電站在2017年度機組C修中按照廠家給出的方案對集電環處的大軸孔洞進行了封堵，封堵前有大量的碳粉通過該孔洞進入轉子中心體內部，封堵后碳粉無法進入轉子中心體而全部堆積在集電環部位，導致集電環絕緣支撐處堆積的碳粉偏多、轉子絕緣電阻變低。

護理20 d后，觀察組不良反應發生率8.82%低于對照組的20.58%，差異有統計學意義（P＜0.05）。見表2。

4.1.5 碳刷更換量過大

該電站在2017年度機組C修中更換了大量碳刷。其中，#7～#8機組更換了近70%，#1～#6機組更換量達到了90%。碳刷更換初期至穩定時間段內碳刷端面與集電環摩擦是由線到面的過程，該時間段較正常時間段碳刷的磨損量較大，故產生的碳粉更多。

4.2 處理措施

當發現集電環碳粉堆積嚴重后，電站工作人員先后對#1～#8機組集電環碳粉進行了清掃。清掃完成后，#1、#2機組轉子絕緣值上升明顯，#3～#8機組絕緣值略有上升。具體數據見表3。

表3 碳粉清掃前后轉子絕緣值表

由于上述處理方法只能暫時消除轉子絕緣降低情況，并不能徹底消除缺陷，所以，該電站又先后進行了以下幾個方面的技術改進。

4.2.1 集電環改造

(1)對集電環表面進行加工處理，使安裝后的集電環振動、跳動值達到要求；

(2)所加工的集電環必須達到粗糙度要求，防止因集電環的表面粗糙度過大使碳刷的磨損加快而產生過量的碳粉，導致絕緣降低；

(4)為了防止碳粉從兩個集電環之間的間隙遺漏，必須使集電環與集塵罩之間形成一個相對密閉的空間，故將集電環的上環與下環之間的間隙用絕緣擋風板將其密封，以提高碳粉的收集效果。

4.2.2 刷架的改造

(1)對刷握位置進行重新優化布置，使刷握更加集中于吸塵口前端，普遍離吸塵口比較近，使該處的抽風量更大、風速更快、產生的碳粉更容易被吸出，更加有利于碳粉的收集。優化后的刷架俯視情況見圖5。

圖5 優化后的刷架俯視圖

(2)將吸風口數量從三個增加到六個，吸塵口由直管結構優化為喇叭口結構，增加了風量和吸風面，有利于碳粉收集。優化前后的吸塵口結構對比情況見圖6。

圖6 優化前后的吸塵口結構對比圖

(3)刷架上端絕緣套的爬電距離很短。通過增大絕緣套、側面開溝槽的方式，增加了爬電距離；

(4)在下導電環上安裝毛刷及集塵擋板，在加強密封的同時，還可以兜接住落下的碳粉，防止碳粉飄落。

4.2.3 碳粉收集裝置及管路優化

(1)更換了碳粉收集裝置。除塵風機為原裝進口、功率更大的風機。將過濾材料由濾袋改為濾筒，使過濾面積更大，拆換、清洗亦更方便，碳粉收集效果更好；

(2)原碳粉收集裝置系通過一根軟管連接除塵器和一個吸風口。改進后，通過兩根軟管連接一臺除塵器和兩個吸風口，優化后的設備除塵效果大大提高。

4.3 處理效果

該電站在對發電機集電環堆積的碳粉進行清掃之后，發電機轉子絕緣情況恢復到正常范圍內。經過上述幾項技術改進，降低了機組運行過程中碳粉的產生量，提高了碳粉裝置的收集效果，碳粉堆積嚴重的問題得到了大大改善。

5 結 語

水輪發電機組轉子絕緣降低問題在很多水電站均有出現，甚至很頻繁，使機組被迫停運，給電站造成了一定的經濟損失和安全隱患。筆者介紹的某水電站機組針對轉子絕緣降低問題采取的有效措施對類似電站發電機轉子的日常維護及故障處理具有一定的借鑒作用。