水輪發電機轉子絕緣降低原因分析及處理

孟利平，張秀平，賈玉峰

（云南大唐國際電力有限公司，云南 昆明 650011）

0 前言

某水電廠安裝三臺3×100 MW的立式水輪發電機，為地下廠房，水輪機額定水頭340 m，額定轉速428.6 r/min，制造廠為哈爾濱電機廠有限責任公司；發電機型號為SF100－14/5350，為立軸懸式、三相、密閉循環空冷發電機，制造廠為重慶水輪機廠有限責任公司。該水電廠機組為國內為數不多的高水頭、高轉速電站，計劃于2009年12月三臺機組投產發電，在投產過程中發現轉子絕緣存在異常現象。

1 三臺發電機轉子絕緣異常情況

該電站2號機于2009年12月做完首次開機、動平衡、瓦溫考驗等試驗后，開始做過速試驗，當機組過速試驗達到141.34%時機組振動、擺度嚴重超標，緊急停機后檢查發現轉子磁軛壓板在切向有位移、磁軛和磁極之間有徑向位移、磁軛合縫處壓板的拉桿銷處焊縫有開裂等現象，過速試驗沒有達到設計技術要求。之后對2號機組進行了簡單處理，處理后機組進行開機試驗，空轉狀態下機組各項參數正常，當勵磁電壓加至70%時，轉子一點接地報警（轉子一點接地報警值為10 kΩ，低報警值為5 kΩ），保護裝置上顯示接地點為8%左右的位置，停機檢查后沒有發現異常部位。考慮到機組振動、過速試驗不合格，因此對機組在機械性能方面進行改造，在改造的同時處理轉子一點接地報警檢查處理。

鑒于機組在過速試驗時，機械性能達不到設計要求，2009年12月22日，組織了一次由東方電機廠、哈爾濱電機廠相關專家組成的現場咨詢會，對機組機械性能達不到設計要求進行了分析，并建議對上下擋風板、上下導軸承進行改造，對轉子磁軛壓緊和拉緊螺桿進行更換，對轉子平衡塊重新布置，并對支撐部件的剛度及頻率進行重新計算，隨后對機組進行了上述方面的改造。在機組改造的同時對發電機轉子一點接地進行了檢查，當時分析認為是阻尼繞組的阻尼環的邊角距離線圈過近造成的，因此將阻尼環的該邊角切除。

2010年5月20 日左右，2號機組改造完畢，在進入72 h運行時，轉子一點接地報警，轉子絕緣低于10 kΩ，停機進行檢查，沒有找到具體部位，測量轉子整體絕緣只有8 kΩ，將轉子下擋風板拆除，清理轉子磁極下引線接線處的灰塵，絕緣上升到16 kΩ，將轉子滑環附近的碳粉進行清理，測量轉子絕緣到60 kΩ，繼續清理轉子滑環，轉子整體絕緣上升到0.6 MΩ。5月23日將轉子滑環和轉子線圈解開測量，測量轉子滑環絕緣電阻為0.6 MΩ，轉子線圈絕緣超過40 MΩ，分析認為滑環絕緣降低為主要原因，轉子線圈絕緣降低為次要原因，因此主要對滑環進行清洗，同時將轉子磁極引線包扎不到位的情況刷環氧絕緣漆。處理完畢后轉子整體絕緣上升到14 MΩ以上，5月25日晚開機并網進入72 h。進入72 h后，保護裝置顯示轉子絕緣逐漸下降。72 h結束后的5月31日03∶37，2號機第二次報轉子一點接地（9.684 kΩ）；6月5日16∶06第三次報轉子一點接地（7.561kΩ）。6月7日12∶02第四次報轉子一點接地（7.757kΩ），之后利用電網停機的機會，對轉子進行了清掃，但是效果不明顯。6月27日中午，2號機組絕緣下降到2kΩ以下，申請調度停機，對滑環進行清掃，清掃完畢后轉子整體絕緣上升到14 MΩ以上，但是開機后幾天，絕緣再次下降到50 kΩ左右，7月2日下午15∶00多，絕緣突然下降到5 kΩ左右，為此多次清掃轉子滑環，清掃后絕緣電阻一般都上升到5 MΩ以上，但是運行幾天后絕緣電阻再次降低到報警值。

1號機組在2010年5月底改造完畢后，對機組進行相關試驗后開機運行。6月5日，1號機轉子絕緣值開始降低，6月22日，由于發電機轉子絕緣不足2 kΩ，1號機組停機處理。

3號機組于2010年6月初停機進行改造，在發電機轉子改造過程中，多次出現轉子絕緣降低至零的情況。6月24日對拆下的各轉子磁極通過短路加熱處理，之后測量絕緣電阻都在500 MΩ以上，1 min 2 500 V耐壓通過。26日各磁極掛上轉子并連接好后，測量轉子線圈絕緣只有0.1 MΩ，經檢查后確認線圈受潮，26日晚加熱處理，至27日晚加熱完畢，在熱態下測量轉子整體絕緣在5 MΩ以上。27日測量轉子絕緣在50 MΩ以上，之后開始處理轉子各部位絕緣包扎工作。7月1日晚測量轉子絕緣正常，7月2日上午08：00在轉子整體耐壓試驗前測量轉子線圈絕緣為1 MΩ，之后進行1 min的2 500 V耐壓試驗通過，耐壓試驗結束后測量轉子整體絕緣為零，檢查發現第3、4個磁極之間的支撐件與磁極繞組之間擊穿。拆除該支撐件后絕緣為0.75 MΩ。

2 轉子絕緣降低原因的簡單分析

通過1、2號機組運行時的轉子絕緣情況，結合3號發電機在改造過程中發現的絕緣配合問題，分析認為該電站發電機轉子絕緣存在一系列問題。

2.1 發電機轉子滑環絕緣

滑環絕緣下降主要有兩點原因：一是碳刷粉過多。主要原因是碳刷質量不好，從實際運行情況看，原配型號D172碳刷的偏軟，碳刷軟硬度與發電機轉速不配合，造成摩擦過度，碳粉過多，而且該型號碳刷的碳粉顆粒度比較大。由于發電機轉子滑環設計時采用自然冷卻，機組運行時沒有冷卻風，這些運行時產生的碳粉就散落并堆積在滑環、刷架及相應的支撐件上，隨著碳粉堆積，滑環與大軸及支撐件之間絕緣距離逐漸降低，如圖1、2所示。另外，碳刷粉過多還與滑環表面加工粗糙、以及發電機上機架振動擺度過大造成碳刷跳動大有很大關系。以及上機架油槽滲油等有關，滲出的透平油揮發并粘到滑環等部位，碳刷粉和油污混合，造成碳粉進一步堆積。

二是滑環結構間隙不符合實際運行要求。如圖3及圖4所示：左側兩個滑環為一極，右側兩個滑環為一極。每極兩個滑環之間距離為53 mm，中間兩個滑環與轉子大軸固定件之間的距離只有12 mm，總的距離也是53 mm。當碳粉堆積過多，固定件和上下滑環的有效絕緣距離降低，引起轉子一點接地故障。

圖1 運行不足半個月的滑環各處堆積的碳粉

圖2 運行不足半個月的滑環各處堆積的碳粉

圖3 設計的滑環結構圖

圖4 滑環實際結構

2.2 轉子磁極絕緣

引起轉子磁極絕緣降低有以下幾點原因：一是發電機內部沒有安裝除塵器。剎車制動機構產生的灰塵，以及其他情況下產生的灰塵，在機組運行狀態下四處飛逸并散落，由于轉子磁極引線附近就是下擋風板，該處屬于死角部位，因此磁極引線附近散落的灰塵比較多，其它部位如發電機定子和轉子線圈表面等。如果絕緣表面灰塵長時間堆積，會引起絕緣降低，甚至影響絕緣材料的壽命。

二是轉子磁極引線引出部位絕緣處理不當。重水廠的發電機轉子磁極引線伸出部位沒有包扎過渡絕緣，直接以裸銅排引出，機組安裝時引線根部的絕緣包扎不規范，直接以云母帶包扎，包扎完畢后在表面涂一層環氧樹脂及絕緣漆。尤其是2號機組，有些磁極引線根部沒有包扎到位，能看到有很長的裸銅排沒有包扎，另外，引線銅排和鐵心之間只有一個絕緣墊板（大約8 mm），如果引線包扎不到位，而且該處是死角，容易堆積灰塵，灰塵在鐵心和引線之間起到搭橋作用，引起絕緣降低，造成轉子接地故障。該問題在2號機組72 h運行時也同廠家溝通過，但是廠家只是把2號機組引線部分刷環氧膠，2號機組沒有徹底處理；3號機組改造時吸取了這方面的教訓，但是3號機組引線包扎仍然不規范。如圖5所示。

圖5 3號機組轉子磁極下引線

三是發電機轉子絕緣材料浸漆工藝處理存在問題。3號機組改造時，23日轉子磁極加熱后測量絕緣都在500 MΩ，1分鐘交流耐壓2 500 V通過。26日上午測量絕緣時，轉子整體絕緣下降到0.1 MΩ，判斷磁極受潮，晚進行加熱處理，27日加熱完畢后絕緣合格，但是過幾天后絕緣又下降到不足1 MΩ。7月2日早發電機轉子耐壓前整體絕緣只有1 MΩ。說明轉子絕緣材料浸漆工藝方面存在一定的問題，造成轉子絕緣質量不可靠，抗潮性差。

四是磁極的鐵心和繞組間隙沒有徹底處理。按照重水設計，磁極鐵心和繞組之間以8 mm左右厚的絕緣板作為主絕緣，在絕緣板和鐵心之間的間隙，每隔一段間隙用多塊薄環氧板塞緊，防止機組運行時鐵心和繞組發生相對運行產生位移。如下圖6所示。

圖6 磁極結構

實際上，由于絕緣板和鐵心之間的間隙沒有完全用環氧板塞緊，機組長期高速運行后，加上機組振擺的影響，所塞的環氧板會發生移動或滑動，最終會導致鐵心和繞組之間存在間隙而在機組運行時產生相對運行，尤其是在機組啟停的時候，此時作為主絕緣的環氧板會受到摩擦而損壞，導致磁極主絕緣受損。

2.3 油污影響

由于發電機上導、下導油槽密封不嚴滲油，這些油污在機組運行時由于溫度和風的影響發生揮發，吸附在設備的表面，尤其是在發電機定轉子線圈和鐵芯表面，油污比較多，灰塵也更容易吸附在這些部位。這些油和灰塵的混合物使定轉子線圈表面更容易臟污、受潮，導致絕緣下降，甚至影響絕緣材料的使用壽命。另外，發電機滑環處的油污也比較多，導致滑環處碳粉堆積更加嚴重，進一步降低該處的絕緣強度。

2.4 機組振擺度超標

機組各處的振擺超標，導致機組滑環處振擺超標，碳刷振動增加，非正常磨損增加；另外，機組振擺超標，發電機磁極的鐵心和繞組相對振動增加，對發電機絕緣也很不利，應盡量降低機組的振擺數據。

3 問題處理及預防措施

（1）利用機組停機期間，將原型號為D172的碳刷更換為圖紙設計的D252碳刷，從實際運行情況看，D252碳刷的情況比D172碳刷稍微好一點，但是仍然存在碳刷粉比較多、碳刷粉顆粒度比較大的情況，為此又更換為國外進口上海摩根碳刷生產的NCC634碳刷，效果總體比較好。

（2）改造發電機轉子滑環結構，將每極兩個滑環之間的距離縮小為24 mm，中間兩滑環與中間固定件之間的距離增加到32 mm，改造完畢后，正負極碳刷架對地絕緣距離增加。

（3）加工滑環表面，將滑環表面重新刨光。拋光滑環表面后，碳刷與滑環的摩擦力減小，減少了碳粉。

（4）在發電機轉子磁極引線根部刷環氧漆增加絕緣強度，利用3號機組改造機會將3號機組的磁極引線包扎到根部，并刷環氧漆增加絕緣強度，1、2號機組暫時刷環氧漆增加絕緣強度。

（5）在發電機風洞內安裝吸塵器，減少風洞內發電機剎車板摩擦產生的灰塵，提高轉子磁極引線處的絕緣強度。

（6）處理發電機上導油室的密封，減少滲油。

4 結束語

從三臺水輪發電機轉子絕緣降低原因分析、處理過程來看，發電機制造廠在設計高轉速、高水頭機組過程中，需要更多地了解、考慮現場濕度大、通風不好等惡劣運行環境對水輪機運行的影響。另外，制造廠家應嚴格按照合同要求及國家和行業標準設計、制造。不應為了降低設備制造費用，采取降造措施。采取降造措施，將有可能造成設備不正常運行，從而將花費更多現場維護費用，影響機組投運工期，對制造企業和業主來說，都是不可取的。

[1]Q/CDT 107 001-2005電力設備交接和預防性試驗規程[S].中國大唐集團公司企業標準。