發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子絕緣問題分析與處理

肖先照，高從闖，黃 艷，陳忠賓，宗樹冬

(1. 江蘇國信溧陽抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇常州 213334；2. 江蘇沙河抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇常州 213333)

0 引言

轉(zhuǎn)子為水輪發(fā)電電動機必不可少的部件，由磁軛、磁極、大軸、勵磁引線、集電環(huán)等部件組成，是產(chǎn)生磁場的勵磁部分[1]。因此，轉(zhuǎn)子必須具有良好的絕緣性能，防止機組運行時發(fā)生轉(zhuǎn)子一點接地，甚至兩點接地，影響機組的安全穩(wěn)定運行。

某抽水蓄能電站裝有多臺單機容量為250 MW的混流式水泵水輪機-發(fā)電電動機組，為國內(nèi)某知名廠商生產(chǎn)。發(fā)電機為立軸半傘式全空冷發(fā)電電動機，額定轉(zhuǎn)速為300 r/min，額定勵磁電壓為278.9 V，額定電壓為17.5 kV。

1 轉(zhuǎn)子勵磁部分結(jié)構(gòu)

該電站發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子為凸極式轉(zhuǎn)子，采用的是三段軸結(jié)構(gòu)，由轉(zhuǎn)子支架、磁軛、磁極、頂軸、主軸、轉(zhuǎn)子引線、集電環(huán)等部件組成，見圖1。其中集電環(huán)和電刷裝置、轉(zhuǎn)子引線和磁極是勵磁回路的組成部分。直流電通過集電環(huán)正負(fù)極，再經(jīng)過轉(zhuǎn)子引線給20個磁極通電，形成磁場。

1.集電環(huán)； 2.頂軸； 3.轉(zhuǎn)子引線； 4.轉(zhuǎn)子支架；5.磁軛； 6.磁極； 7.主軸。

1.1 磁極絕緣結(jié)構(gòu)

磁極是提供主磁場的核心部件，主要包括磁極鐵心、磁極線圈、阻尼繞組等。磁極絕緣包括極身絕緣、匝間絕緣、絕緣托板、配墊層、“L”形附加絕緣、托板密封隔熱絕緣和托板密封膩子。磁極結(jié)構(gòu)見圖2。

1.磁極鐵心； 2.極身絕緣； 3.磁極線圈； 4. 阻尼條；5.絕緣托板； 6. 極間支撐。

1.2 轉(zhuǎn)子引線

轉(zhuǎn)子引線是連接集電環(huán)與磁極的中間導(dǎo)體，材料為軟銅母線TMR，局部包扎絕緣帶。轉(zhuǎn)子引線穿過頂軸內(nèi)孔而后經(jīng)過轉(zhuǎn)子支架和磁軛，最后和首尾磁極相連，經(jīng)過計算選擇適當(dāng)數(shù)量的線夾件固定在轉(zhuǎn)子上，所有與金屬接觸部位都采用絕緣墊塊、絕緣套管的絕緣結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計既能保證轉(zhuǎn)子帶電部件對地的絕緣及爬電距離，還能滿足機組任何工況時的強度要求。轉(zhuǎn)子引線見圖3。

圖3 轉(zhuǎn)子引線

1.3 集電環(huán)和電刷裝置(見圖4)

圖4 集電環(huán)與刷架裝配

該電站機組集電環(huán)固定在頂軸上面，位于發(fā)電電動機的頂軸內(nèi)，通過勵磁碳刷與刷架的導(dǎo)電環(huán)連接，轉(zhuǎn)子引線的銅排直接通過把合螺栓固定在集電環(huán)上。電刷裝置通過正負(fù)極各12根180 mm2電纜與勵磁柜相連。

2 絕緣故障

該電站機組投運4年多來，轉(zhuǎn)子整體運行性能穩(wěn)定可靠，但是也存在一些因為結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、檢修維護不當(dāng)導(dǎo)致的絕緣問題。

2.1 絕緣電阻偏低

該電站兩臺機組出現(xiàn)過轉(zhuǎn)子絕緣阻值偏低的現(xiàn)象。第一次，4號發(fā)電電動機在C級檢修后預(yù)防性試驗測得轉(zhuǎn)子整體絕緣阻值僅為22 MΩ(集電環(huán)、轉(zhuǎn)子引線以及20個磁極作為整體)，而修前整個轉(zhuǎn)子的絕緣阻值為790 MΩ。修后數(shù)據(jù)滿足規(guī)范要求的“轉(zhuǎn)子整體絕緣阻值不低于0.5 MΩ的要求”，但是絕緣阻值存在較大差異。通過對發(fā)電機風(fēng)洞內(nèi)空氣加熱和除濕一天，重新測得轉(zhuǎn)子整體絕緣阻值為458 MΩ。第二次，6號發(fā)電電動機在C級檢修后預(yù)防性試驗測得轉(zhuǎn)子整體絕緣阻值僅為0.3 MΩ，并且用500 V搖絕緣時，電壓只能上升到400 V。將轉(zhuǎn)子引線與磁極分開，分別測量轉(zhuǎn)子引線和磁極的絕緣，最終發(fā)現(xiàn)是因為轉(zhuǎn)子引線固定螺栓套的絕緣管損壞，存在放電現(xiàn)象。經(jīng)更換絕緣套管備件，重新測量轉(zhuǎn)子整體絕緣阻值為728 MΩ。

2.2 轉(zhuǎn)子一點接地[2]

轉(zhuǎn)子一點接地與絕緣電阻偏低不同，一點接地指的是轉(zhuǎn)子集電環(huán)電刷系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子引線以及磁極形成的勵磁回路存在一點與大地接地系統(tǒng)連接，即存在金屬接地，轉(zhuǎn)子勵磁回路對地的絕緣阻值為0 Ω或者低于轉(zhuǎn)子一點接地保護值15 kΩ。該電站發(fā)電電動機出現(xiàn)過多次因碳粉堆積導(dǎo)致轉(zhuǎn)子一點接地的故障，故障點處于集電環(huán)和電刷裝置處。通過清理集電環(huán)和刷架裝置處的碳粉，一點接地的問題立即得到解決。機組還出現(xiàn)過幾次磁極線圈銅排接地的問題，具體為磁極“T”尾處調(diào)整墊條斷裂，墊條搭接磁極線圈導(dǎo)致轉(zhuǎn)子一點接地故障，如圖5所示。

圖5 墊條搭接磁極銅排

3 原因分析與處理

根據(jù)該電站機組多起絕緣問題的處理過程，總結(jié)出了一些轉(zhuǎn)子絕緣故障的原因與處理措施[3]。轉(zhuǎn)子絕緣阻值偏低，原因如下：

(1) 發(fā)電機長期停機(檢修狀態(tài))，環(huán)境濕度較大導(dǎo)致發(fā)電機轉(zhuǎn)子絕緣受潮，進而轉(zhuǎn)子絕緣電阻偏低。這種現(xiàn)象通常是發(fā)電機修前試驗絕緣阻值合格，而修后絕緣阻值大幅下降。這種情況可以通過加熱器烘干、除濕機除濕，或者讓發(fā)電機帶勵磁空轉(zhuǎn)等方式來處理，效果一般比較理想。

(2) 集電環(huán)、電刷裝置、轉(zhuǎn)子引線以及磁極端部積累碳粉、灰塵、油污導(dǎo)致轉(zhuǎn)子絕緣電阻降低或者出現(xiàn)接地點。這種情況一般可以通過保護顯示的接地點部位有針對性地重點檢查和清掃、除塵、除污，絕緣降低或者接地的故障變化就會消除。

(3) 焊渣、金屬鐵屑等部件導(dǎo)致磁極線圈裸露銅排部分與轉(zhuǎn)子金屬部件接觸的一點接地或者產(chǎn)生磁極線圈間的匝間短路。這種情況比較少見，可以先通過常規(guī)檢查，如效果不佳，則需要通過試驗來確定是具體哪個磁極。可以將磁極拔出機坑在外單獨的檢查。采用壓縮空氣全面清掃，還可以采用吸鐵石吸附線圈和鐵心之間的金屬雜質(zhì)。

(4) 絕緣嚴(yán)重老化或者存在機械損傷、金屬粉塵進入鐵心和線圈內(nèi)狹小空間。這幾種情況無法在現(xiàn)場通過常規(guī)方式處理來提高絕緣水平，只能更換磁極，將問題磁極脫除線圈重新生產(chǎn)組裝。

4 結(jié)論

通過對該電站機組發(fā)電電動機幾起轉(zhuǎn)子絕緣問題的分析和處理，檢修人員獲得了一些處理轉(zhuǎn)子絕緣問題的方法，也總結(jié)了一些轉(zhuǎn)子檢修維護的經(jīng)驗，提高了檢修技能，保證了機組運行的穩(wěn)定性。該機組轉(zhuǎn)子絕緣問題處理的思路、方法和經(jīng)驗對類似問題的分析和處理具有指導(dǎo)意義。