小龍水電站發電機轉子一點接地問題探討

王月華

(四川嘉陵江小龍門航電開發有限公司,四川南充 637000)

小龍水電站于 2003年 10月開工建設,是以航電開發為主,兼有防洪、攔沙、旅游、生態等綜合效益的城市樞紐工程。電站為河床式,共設計安裝了 4臺單機容量為 13 M W的豎井貫流式水輪發電機組,是目前亞洲帶有增速器的、單機容量最大的豎井貫流式水輪發電機組。由于設備處于試驗階段,設計、安裝無經驗可循,到目前為止,4臺機組由于各種故障原因不能正常連續運行。2011年 4月 2日,1號發電機組由于轉子一點接地被迫放棄開機而進行停機專項絕緣檢查,組織了專門小組研討查找,經過認真分析和試驗后找到了接地點。

1 轉子線圈絕緣問題檢測

1.1 主要參數和轉子結構

機組參數:額定水頭 5 m;額定流量:305.9 m3/s;額定容量:14.44 M V A;定子直徑:1.8 m;額定電壓/電流:10.5 k V/794 A;額定轉速;750 r/m in;磁極個數:8個;定、轉子絕緣等級:F級;額定功率因素:0.9(滯后)。

轉子主要由轉子支架、磁軛、磁極和轉子引線等部件組成。轉子主軸與磁軛合為一體,由導磁性能好、機械性能高的材料鍛造而成。磁軛兩端分別設有 16個螺槳式風扇,以利于軸向通風,風葉為鍛鋁材料 L D 5。磁極為 F級絕緣。

1.2 檢測過程

水龍水電站為低水頭河床式電站,由于庫容量小,機組耗水量大,特別是在枯水期經常由于水量不足而輪流開機。2011年 4月 2日,1號發電機組在停運了 51 h后開機。當 1號發電機組成功開至空載時,發電機保護屏報:“轉子一點接地”故障且無法復歸。遂立即將 1號發電機開至空轉態并停機檢查。對 1號發電機組進行絕緣測試,搖測了轉子絕緣:首先在 1號發電機勵磁柜處搖測轉子絕緣為 0;然后拉開勵磁柜正負極兩根轉子引線并拉出轉子碳刷,搖測極電環刷到勵磁柜電纜的絕緣為 1 120 M Ω,結果良好;在滑環上搖測轉子對地絕緣為 0。

1.3 應急處理措施

方案一:清掃了 1號發電機勵磁功率柜處風機進風口濾網,擦拭了發電機和水輪機接地碳刷(其中發電機接地碳刷油污較重),打掃了轉子清潔衛生,檢查了轉子回路,轉子外圍未發現接地點。用低壓氣吹掃了發電機滑環及發電機定、轉子上的碳粉灰塵。拆除了發電機左側(從上游往下游看)端蓋以及增速器和大軸連接處的大軸保護罩,發現轉子磁極油污較重;進行了盤車,用白布沾酒精對磁極進行了清掃,檢查后搖測轉子絕緣為 0。

方案二:將 1號發電機組開至空轉干燥觀察,經過 16 h的空轉干燥后搖測轉子絕緣為 0,搖測定子絕緣電阻 15 s時為 73.4 M Ω,60 s時為 88.9 M Ω,吸收比為 1.21。

方案三:采用直流電焊機干燥。具體操作如下:在 1號發電機組出口電纜柜內將 A、B、C三相定子線圈中任意相鄰兩相接入直流電焊機正負極,然后將廠用電接入直流電焊機,輸出直流電給發電機定子線圈進行干燥,從而使轉子得以干燥。兩種方案中加熱器同時投入,除濕機處于運行狀態。經過近 50 h連續通流加熱后,搖測轉子絕緣還是為 0。

方案四:將直流電焊機接至 1號發電機組勵磁柜處的勵磁正負極,給直流電焊機緩慢加電流直接對轉子進行干燥近 20 h后,搖測轉子絕緣仍為0。

2 轉子一點接地原因分析

發電機良好的絕緣電阻是安全運行的關鍵,如果在絕緣電阻不良的情況下還繼續運行是非常危險的。轉子一點接地是發電機運行中發生較多的故障。轉子一點接地時,無電流流過故障點,勵磁電流仍然保持正常,對發電機并無直接危害,但此時轉子繞組對地已產生電壓,當系統發生各種擾動時,電壓可能出現較大值(如果接地點在滑環附近,電壓最高可達正常時的兩倍),進一步危及轉子絕緣,極易造成另外一點接地,從而形成轉子兩點接地短路。

發電機轉子一點接地的主要原因簡要分析有以下幾點:(1)刷架和集電環上堆積過多的碳粉;(2)轉子集電環與磁極線圈間引線電纜破損;(3)磁極線圈及絕緣墊板碳粉長期堆積吸潮接地;(4)轉子安裝時磁極絕緣意外損傷或絕緣老化;(5)轉子磁極加工工藝問題。

2.1 刷架和集電環上堆積了過多碳粉的原因

由于機組長期運行,定期維護時間少,在滑環處有大量的碳粉、灰塵、油污長期堆積,會造成滑環對地絕緣降低,引起轉子接地。

2.2 轉子集電環與磁極線圈間引線電纜破損

引線電纜一頭與集電環上螺栓連接后,經過發電機大軸,用鐵皮線夾徑向固定在轉子端面上,然后再同磁極線圈接頭相連,因而引線電纜有可能破損,引發轉子一點接地。可能有:(1)電纜長期工作在較高溫度環境中,局部位置又粘到些滲漏的潤滑油中,電纜的橡膠絕緣層便會受到腐蝕,時間一長,電纜就會產生裂縫,裂縫中又容易滲入油污,待其積累到一定程度 ,就會使電纜通過油污產生接地;(2)電纜隨轉子一起轉動,由于電纜銅芯線與橡膠絕緣層材料的彈性不同,在變化的離心拉力作用下,易使固定電纜的鐵皮線夾割破絕緣層而造成電纜銅芯線與轉子端面發生接地。

2 .3 磁極線圈及絕緣墊板碳粉長期堆積吸潮接地

(1)豎井貫流式機組機坑內濕度較大,機組在正常運行中,由于銅、鐵損所產生的熱量及冷卻風的存在,灰塵干燥,絕緣較好,冷卻風把碳粉和灰塵帶入到磁極線圈上。一旦停機時間較長,空氣濕度加大,附著在磁極線圈上的灰塵就會因受潮造成絕緣下降,從而發生一點接地。(2)碳刷粉塵、后軸承處的接地碳刷粉塵、剎車制動粉塵在機組工作時很容易進入發電機內并附著在磁極上;(3)前軸承、后軸承漏油:由于設備的質量、安裝缺陷,導致前、后軸承經常漏油,使得定子、轉子線圈內均有積油。當機組運行時,這些粉塵和漏油一起混合形成油污,附著在定子線圈、轉子磁極和絕緣墊板上,嚴重威脅發電機絕緣;(4)發電機電加熱器未按時投入運行,除濕機效果差,使機組在停機時干燥得不到保證,導致絕緣容易受潮;(5)碳粉吸收裝置效果不理想。

3 轉子一點接地問題的處理方案

3.1 查找一點接地的磁極方法:通直流電測壓降法判定接地點

在投入了大量的人力、物力后還是未找到轉子一點接地的情況下,小龍水電站專門請廠方的專家和本站的技術人員共同研討后,決定采用通直流電測壓降的方法尋找磁極接地點。其原理為:每個磁極的壓降是相同的,越接近接地點電壓會逐漸降低并接近 0。方法如下:將直流電焊機的正負極與轉子的正負極相聯,緩慢通直流電。將萬用表的正極表筆與一個磁極接觸(接觸點將絕緣漆刮破),負極表筆接地(也可用萬用表負極表筆與一個磁接觸,正極表筆接地查找接地磁極),此時萬用表有一電壓值。采用相同的方法再測量相鄰一個磁極的電壓,如果電壓升高,則說明接地點在相反方向的磁極上,此時需再測相反方向的磁極電壓,若此時電壓降低,說明離接地點越近,直至測得電壓接近 0。如果繼續測下一個磁極電壓,將會變成負值,說明前一個磁極即是接地磁極。通過該方法最終判定接地點在六號磁極(從上游側以右邊引線極順時針編號)。

3.2 改進措施

在 1號發電機組帶缺陷運行后,小龍水電站加強了對 1號發電機組運行環境和保護的改造處理,方案如下:

(1)在 1號發電機組豎井內增加了電加熱器臺數;(2)對除濕機進行了改造,讓其自動排除內存的積水,提高除濕效果;(3)將發電機碳粉吸收裝置主電機由原來的單相400W更換為三相1 000 W,風量由原來的 600 m3/h增加到 800 m3/h,盡量減少碳粉進入轉子和定子;(4)投入 1號發電機組轉子兩點接地保護,將動作時間縮短為0.5 s;(5)縮短對 1號發電機組的定期維護時間,在運行時加強巡視。

4 結 語

小龍水電站通過對 1號發電機組進行近10 d的各種處理和試驗確定是 6號極有接地點后,由于消除轉子磁極接地點必須將轉子吊出,需要較長的時間,而轉子磁極在一點接地情況時仍可正常發電(但須加強監視),為了不浪費水資源,創造更大的經濟效益,又再次將 1號發電機組投入運行,在運行過程中采取了防止再發生另一點接地的措施。處理過程和查找轉子磁極一點接地的方法可為同類電站處理類似問題提供參考。