費魯電站1號發電機轉子及集電環故障的分析

邱世貴，黃秀娟，梁道興

(中國水利水電第十六工程局有限公司，福建 福州 350003)

1 概 述

費魯水電站位于塞內加爾河流經非洲馬里共和國段上，在馬朗塔里水電站下游大約200 km、卡伊市上游15 km左右處，是1座徑流式引水發電站。水庫正常蓄水位40.10 m，總裝機容量3×21 MW，通過225 kV開關站并入電網向業主成員國(馬里、毛利塔尼亞和塞內加爾)電力負荷中心提供電能。電站在運行5 a后發生了集電環損壞事件。

2 動作事件回顧

從事件表中可以看出(見表1)，啟動了64R 1p.BV保護(轉子一點接地低值報警)。因此，電氣故障(轉子繞組絕緣下降已經達到低值報警)表明轉子繞組絕緣電阻已經相當低，趨近于0 Ω的狀態。

查看1號發電機保護裝置64R保護整定值：高值報警為20 kΩ，低值報警為1.8 kΩ。64R保護整定有2級報警，均為報警發信至監控系統；而根據“繼電器和自動裝置保護定值清單”，對于勵磁，3個勵磁保護按表2設置(見表2)。

表1 發電機動作事件記錄

表2 勵磁變保護定值

保護裝置所輸入和輸出的值與保護計算書相符，滿足正常運行要求。

3 診斷項目及執行的測試

3.1 CETIM機構對集電環的鑒定

熔融的金屬沉積物以及部分或完全融化的零件可以掩蓋其他發生的故障，如疲勞斷裂或螺栓的剪切。集電環部分元件送到圣艾蒂安的CETIM實驗室進行檢測。CETIM的結論如下：

輕微損壞的部件并且外觀有斷裂痕跡的顯示出表面微觀部分的氧化和降解狀態(由電氣事故造成)，從而無法表現出機械損傷的特征。在斷裂平面處的顯微檢查沒有發現與脫落平面相鄰的螺紋底部的任何二次裂紋，這可能已經提供了損壞方式的信息。根據2013 NF EN ISO 898—1，通過觀察4.8～6.8強度等級相關結構變化和初始硬度特性未受影響，附加檢查螺栓的化學成分符合4.8～6.8級的2013年NF EN ISO 898—1所允許的碳鋼標準。

因此，不是先天的螺栓機械故障而是熔化，初步排除了機械勞損故障。

3.2 現場檢查

ARTELIA、SEMAF、SINOHYDRO三家團隊對損壞集電環進行了現場檢查(見圖1～圖4)。

圖1 老化的銅連接絕緣

圖2 腐化的銅連接

圖3 集電環1的環間連接短路

圖4 集電環2的環間(腐化)連接短路

故障起始點：完整觀察集電環的狀態可以識別短路的來源， 每個集電環都清楚地顯示出故障起點是由在連接和環之間的絕緣性能下降而誘發的。長時間的運行，在集電環與碳刷架之間積累碳粉，碳粉進入轉子內部，導致整個勵磁回路絕緣下降。碳粉的強烈污染加劇了絕緣破壞。從曲線圖放大可以看出勵磁電流的變化，對轉子產生了強勵動作(見圖5)。

圖5 監控界面的勵磁系統曲線

3.3 對集電環絕緣電阻測量

對集電環絕緣電阻的測量如下所示(見表3)。

表3 集電環絕緣電阻值

3.4 對轉子絕緣電阻及直流電阻測量

斷開勵磁集電環轉子引線，不需要任何拆卸的情況下進行轉子的電阻和絕緣測量(見表4)。

表4 轉子絕緣檢查

轉子直流電阻為0.23 Ω，與機組安裝測試數據基本一致。絕緣測量采用絕緣測試儀15871400 FC，直流電阻測量采用HIOKI RM3548測試儀。

3.5 檢查勵磁系統組件(晶閘管和二極管)

對每個功率柜的元件進行詳細檢查，組件狀況良好。

3.6 檢查碳粉塵除塵器的運行

碳粉吸塵裝置管道狀況不佳，必須重新調整該系統。觀察到運行后的過濾器比較干凈，但碳粉吸塵器效果不明顯，可以解釋在轉子內部發現稍微擴散的粉塵的原因。

3.7 發電機保護定值檢查

在發電機保護裝置中，涉及的轉子一點接地保護64R定值是符合運行的(見圖6)，但在發電機保護的歷史記錄中，多次出現64R保護轉子一點接地低值報警動作。

圖6 64R保護定值清單

3.8 機組集電環盤車檢查

測圓架的磁性基底固定在定子的上部面上，測圓架觸及到集電環的上環。起動壓力泵，操作人員旋轉轉子，結果如下所示(見表5)。

表5 集電環盤車數據

從表中得出最大誤差符合0.25 mm，與安裝投產時基本一致，符合規范。

4 診斷分析及結果

(1)根據現場及資料所有檢查，得出診斷結果：根據轉子及集電環絕緣電阻檢查，轉子絕緣初始值原本平均是200 MΩ；在集電環檢修后， 2017年測量值0.5 MΩ，遠遠低于初始值。可以確認是由幾年來碳粉和油蒸汽的積聚加劇了潛在的絕緣故障，引起絕緣急劇下降。

(2)集電環絕緣體上粉塵和油蒸氣會極大地降低集電環的絕緣環和絕緣墊。

(3)在出現各種轉子對地警報的過程中，運行操作人員啟動了吸塵器，表明運行過程中產生的碳粉引起轉子整體絕緣下降。在每次64R保護出現時，勵磁系統啟動強勵運行(不超過10 s)，通過勵磁回路—集電環—轉子，導致銅導體過熱。SCADA系統收到信號，“勵磁限制報警”顯示勵磁電流已達到最高。無功功率的不平衡曲線也可證明強勵啟動。或者說，在這些事件發生時，時而來自勵磁系統的強勵，時而來自電網的強電流就已通過勵磁回路—轉子。這種勵磁系統與轉子電流失去平衡的發生是由于被污染轉子或者集電環加劇的絕緣故障所致。因此，這些連續的過熱導致銅導體的絕緣件退化。銅連接絕緣減弱導致銅導體和集電環之間的直接短路,導致機電環與刷架螺桿的斷裂和熔融事故，以及其他部件損壞。

(4)轉子一點對地保護(64R)定值動作機組未跳閘，使得故障迅速升級并損壞集電環。

(5)考慮到特定的設計和風險，(64R保護)轉子接地故障具有高值、低值兩級保護。包括轉子繞組和非旋轉勵磁設備在內的電感繞組始終與轉子的金屬部分隔開。如果轉子由空氣冷化，則絕緣電阻很高。電感回路絕緣故障會導致從電感繞組到大地的導電路徑，這意味著出現接地故障。通常，同步交流發電機的電感回路不接地，這就是轉子繞組接地故障僅產生很小的故障電流(高值階段)的原因。因此，轉子高值接地故障不會損壞發電機，也不會以任何方式影響運行。

5 建 議

(1)修改發電機保護中的64R保護轉子一點接地低值保護，出口報警動作改為跳閘發電機出口開關并事故停機。

(2)加強對2、3號機組的“轉子一點接地”報警信號的監測，從高值出現開始。

(3)分析每次報警信號的真實性來源。

(4)盡早檢查報警信號發生后的轉子及其附件絕緣電阻檢查。

(5)在監控系統A界面上，把“轉子絕緣故障”一詞顯示為紅色。

(6)將碳粉除塵裝置系統重新投入運行，并確保過濾器的清潔可及時清理絕緣件表面，保證絕緣性能。

(7)運行規程重新定義發電機(定子、轉子)的絕緣監控標準，來控制絕緣發展趨勢。

(8)重新校驗發電機保護裝置的動作可靠性。

(9)為了使機組盡快恢復電網運行，一致建議組建1個中水電—SEMAF小團隊，對1號發電機組進行A修，來進行拆解或重新組裝工作。

(10)采購優質電刷，以保證與集電環良好配合。電刷裝配前充分研磨處理(適形磨弧)，研磨時避免硬物顆粒遺留在電刷表面，尤其注意砂紙殘留物。電刷裝配前認真清理集電環、電刷表面，確保集電環及碳刷表面清潔無油污、無異物。

6 結 語

通過ARTELIA及SINOHYDRO對馬里費魯水電站1號機組轉子及集電環故障的分析，結合相關技術資料進行比對和現場數據的測量，得出建議意見及應盡快進行1號機組的A修工作，對日后類似機型的運行維護具有借鑒意義。