水轮发电机转子绝缘故障原因及解决措施

摘要：本文作者水轮发电机转子接地故障的类型、原因和处理方法及重复接地故障发生的原因进行了分析，并提出了相应的解决措施，对同类水轮发电机组有一定的借鉴作用。 
　　关键词：水轮发电机；转子绝缘；原因分析；处理措施 
　　 
　　引言 
　　某水电站总装机容量85MW，其中一级电站装机2×30MW，二级电站装机2×12.5MW，于2005年10月全部竣工并网发电。该电站水轮发电机型号为SF30-12/3520，发电机采用具有上下两个导轴承的立轴悬式机构，推力轴承置于上导轴承的油槽内。励磁方式为自并激静止可控励磁，额定励磁电流680A，电刷数量9对。发电机额定转速500r/min。 
　　1.故障现象 
　　2010年3月11日，该电站一号机发电运行过程中，上位机发“1号机转子一点接地”故障信号，停机后检查一号发电机转子回路绝缘为零。经检修人员对电刷、集电环及集电环支撑绝缘架等处进行清扫处理后，转子回路绝缘达到200MΩ，机组恢复正常运行。3月21日运行人员巡检再次发现，一号机转子接地电阻测量值下降接近告警值，后停机清扫处理，转子绝缘达到500MΩ以上，机组恢复运行。 
　　电站自2004年5月投产发电以来，多次发生发电机转子一点接地故障，严重影响了机组安全稳定运行，增加了机组强迫停运次数，加大了设备的检修维护强度。通过对机组的结构图纸和故障现象的分析，查找故障产生的原因。在电站允许的条件下，采取相应的措施，有效控制故障的发生。 
　　2.故障类型及原因分析 
　　到目前为止华光潭梯级电站发现和处理的转子接地故障大致可分以下三类： 
　　（1）一类是发电机励磁系统直流回路中设备绝缘破坏引起的转子接地故障。 
　　如2008年4月18日发生的3号机“转子一点接地故障”。检查发现是集电环到转子线圈穿过转子大轴中心的励磁橡皮电缆在弯头处破损，线芯接触大轴发生接地。具体接地点如图1所示。这类接地故障现象初期表现为发电机发电运行过程偶尔发生瞬时接地，停机后绝缘正常。随着励磁橡皮电缆破损程度增加，可转为永久接地。 
　　（2）一类是发电机励磁系统交流回路中设备绝缘破坏引起的转子接地故障。 
　　如2004年5月11日励磁系统第一次投运时，发生的三号机“转子一点接地故障”。检查发现是励磁变低压侧B相电缆破损接地引起的，表现为机组励磁建压后有接地故障信号，不建压或停机态转子回路绝缘正常。发电机励磁交流回路电缆接地，待可控硅导通机组建压后通过转子一点接地回路检测到故障信号。 
　　（3）另一类是发电机转子回路设备本身绝缘是正常的，文中提到的重复两次的接地故障。接地故障的原因是由于碳粉在集电环和集电环支架间的隔离绝缘圈上堆积形成接地通道，经大轴接地电刷接地。发电机转子碳粉堆积位置如图2所示。此类故障如不采取措施很容易重复发生，下面着重联系一号发电机分别从罩壳内部油雾情况、集电环的光洁度、电刷的材质、机组的摆度、电刷的数量等方面重点分析产生碳粉堆积的原因。 
　　1）推力油槽油雾的影响 
　　一号发电机和A级检修前相比，电刷硬度比以前低，连续运行的时间没以前长，电刷数量没有改变。为什么短时间内就连续二次出现转子一点接地故障呢？就现场情况看，下集电环光洁度明显比上集电环光洁度差，下集电环碳粉堆积也明显比上集电环多，并且呈油腻结块状。一方面由于A级检修后推力油槽油位较高，和平时相比推力油槽油位高出5cm。另一方面由于发电机推力油槽盖板和转动的发电机大轴间隙采用羊毛毡隔离。这导致从固定的推力油槽盖板和转动的发电机大轴间隙排出的油雾和从推力油槽呼吸孔排出的油雾就增多，油雾与碳粉结合容易在隔离绝缘圈上堆积着落。 
　　2）集电环光洁度影响 
　　2010年3月11日，A级检修后累计发电472h50min后，出现一号机转子一点接地故障。经检查，下集电环表面发暗，并有明显的划痕，引起这一现象的主要原因应是下集电环更接近发电机推力油槽，带油雾的碳粉粘结在集电环上，增大环火，导致集电环表面温度升高，电刷磨损加剧，隔离绝缘圈碳粉积聚速度增加。 
　　3）电刷的材质影响 
　　电刷的材质包括洛氏硬度、电阻系数、摩擦系数等，是碳粉产生的主要原因。该电站电刷的主要技术指标见表1。电刷和集电环之间，电刷材质硬了，集电环磨损严重；电刷材质软了，电刷磨损厉害，碳粉多。需要电刷和集电环之间不断选型磨合[1]。一号发电机自2005年10月投产发电以来，由于集电环磨损较深，于2009年5月27日更换了一号机电刷的型号，更换后累计发电运行时间1109h53min，转子绝缘情况正常。 
　　更换前电刷型号：乐清新光电碳厂D172T6、25×32×60；更换后碳刷型号：上海摩杨电碳厂S27-T6、25×32×60。 
　　4）机组摆度的影响 
　　正常情况下，机组摆度也是电刷磨损增加的原因之一。2009年5月27日更换1号机电刷后测试机组摆度数据：机组空载时，推力头摆度：0.20mm；机组负载（P＝29.85MWQ=3.10Mvar），推力头摆度：0.20mm；A 级检修后，推力头摆度：0.20mm；2010年4月9日，机组负载（P＝29.84MWQ=3.96Mvar）推力摆度：0.25mm；与电刷更换前后、A级检修前后，数据变化不大，不是主要原因。 
　　5）电刷数量的影响 
　　一号机设计电刷共9对，按额定电流密度（10A/cm2）计算，每只电刷额定通流80A，发电机的额定励磁电流为680A，实际运行时发电机的励磁电流约500A左右。电刷数量基本满足要求。 
　　综上所述：华光潭一号发电机A 级检修后，重复发生两次接地故障，其主要原因是罩壳内部油雾增多和集电环表面划痕造成电刷磨损加剧，碳粉在隔离绝缘圈堆积速度加快引起的。 
　　3处理办法 
　　（1）第一类故障瞬时接地，故障点比较隐蔽，不易查找。发电机转子一点接地短时间仍可运行，但如果处理不及时，一旦转子回路另外再有一点接地，发生两点接地，对转子危害就很大[2]。初期判断接地时，可用直流电焊机，手动加励磁电流，从而判断接地点是在灭磁开关回路前还是后，即励磁调节器控制回路接地还是转子本身或回路接地。处理时可根据大轴开口尺寸，对破损橡皮电缆用玻璃丝带层层包扎，层与层之间涂上环氧树脂，增加电缆的绝缘，防止电缆磨破。同时要确保电缆在转子大轴上下孔洞内部不要晃动。 
　　（2）第二类故障其实是交流回路接地，故障原因很难被人想到。但找到了原因处理就很简单，更换包扎电缆或提高设备绝缘水平即可。 
　　（3）第三类重复接地故障处理相对麻烦。结合电站上半年汛期C 级检修，针对一号发电机的实际情况，为了减少罩壳内部油雾和电刷的磨损，采取了以下处理办法： 
　　1）当停机过程机组下降到50%Ne转速时，两人同时在下集电环刷握两端用金相砂皮紧贴集电环利用机组剩余速度打磨下集电环，每次打磨2.5min，共进行了5次。消除集电环上的毛刺，提高集电环的光洁度。 
　　2）尽可能降低推力油槽油位，临时用软皮管把推力油槽呼吸孔接到发电机罩壳外部，减少罩壳内部油雾。 
　　3）定时在风洞内把到一号机转子的励磁引线正负极进行对换，减少电刷在励磁电流作用下的电气磨损和机械磨损。 
　　4）加强设备维护，增加转子回路清扫频率。 
　　结束语 
　　经过处理，发生重复接地故障的华光潭一号发电机，运行时的集电环环火和碳粉明显减少，发电机连续运行时间也得到延长。下一步计划把固定在推力油槽盖板和转动的发电机大轴迷宫间隙的羊毛毡密封改为新型材料的硬接触式油档，进一步改善罩壳内油雾状况。同时对推力油槽呼吸孔采用永久处理办法，增加油雾吸收装置，从而彻底解决一号发电机转子绝缘下降的问题。 
　　参考文献 
　　[1]李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用[M].北京:中国电力出版社,2002. 
　　[2]王维俭.电气主设备继电保护原理与应用[M].北京:中国电力出版社,1996.

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