水電廠機組發電機轉子絕緣故障分析及處理對策分析

南寧交通資產管理有限責任公司 滕很朋

1 前言

隨著時代快速發展，水電廠機組設備得到了有效優化，為了進一步確保水電廠正常發電，保障泄洪用電質量，通常會利用水輪發電機機組為水電廠及時提供安全穩定的電源。水電廠水輪發電機機組在電網失電的情況下，及時啟動，為水電廠及時供電，以此保障水電廠運行安全，同時促使水電廠及時恢復外部供電，確保發電機機組運行的穩定。但在發電機機組正常運行的過程中，機組中的轉子很容易受到絕緣故障因素影響，導致發電機無法正常運轉，為此應當做好發電機轉子絕緣故障分析工作，根據造成故障影響因素，及時提出相應的處理措施以及解決措施，確保發電機機組的穩定運行。

2 水電廠水輪機組發電機組轉子絕緣故障的危害

水電廠一般會使用水輪發電機組作為發電運行工具，水輪發電機機組主要是由以下三個部分共同組成：發電機、水輪機、調速器。其中，以發電機機組為主，發電機轉子材料一般是采用的環氧型無溶劑，同時表面涂抹了絕緣漆。由于該類型的絕緣漆很容易受到溫度的影響，導致絕緣漆脫落。水輪發電機機組在長期運行的情況下，其負荷力將不斷增加，則會導致表面溫度上升，造成轉子絕緣性能降低，很容易出現轉子絕緣故障，最終導致發電機因溫度過高，造成破壞而無法正常運行[1]。

在當前時代的發展過程中，對發電機轉子材料進行了改變，采用了不飽和聚酯絕緣漆材料，該材料具備極高的抗高溫性能，不容易發生變形情況，即便發電機機組在長期運行的情況下，也不會受到溫度因素影響造成絕緣漆出現脫落或者轉子變形情況，有效提高了發電機機組的絕緣性能。但是該材料轉子在長期使用下，絕緣性能會有所降低，當絕緣組織降低到0時，發電機如果依舊可以保持預想狀態，那么則會受到高電壓因素影響，造成發電機內部繞組出現嚴重短路情況，導致發電機內部會出現自動放電問題，嚴重影響發電機的正常運行。

3 發電機轉子絕緣故障原因分析

3.1 發電機轉子受潮

發電廠位置環境濕度相對較大，發電機機組在運行的過程中很容易受到空氣中所含有的水分影響，對發電機轉子絕緣造成侵蝕情況，一旦發電機在靜止的狀態下，空氣中的水分會自然落在發電機表面當中，對發電機電子絕緣造成嚴重影響。另外，在對該故障分析的過程中，水電廠發電機機組運行時間相對較長，經常會出現發電機現需停機情況，一旦發電廠對發電機有著明確的規定，發電機在停止運行的過程中，停機時間長達10h左右，為了保障發電機正常運行，則需要發電機空載運行1h左右才可暫停發電機運行。在發電機轉子絕緣性能逐漸降低的情況下，發電機機組運行效率會得到提升，但對發電機整體運行質量會造成嚴重影響[2]。

3.2 油霧影響

發電機機組中所包含的油管路相對較多，其中包含了上導管路、下導管路以及推力油管路，甚至還包含了水導油槽等。如果其中一條油管路出現了油槽密封不嚴的情況下，將會出現大量油霧，甚至在發電機運行的過程中會出現大量滲油的情況，對發電機機組穩定運行將會造成嚴重影響。此外，發電機在運行的過程中，油霧受到機組溫度以及風轉的影響下，會吸附在發電機機組的表面當中，其中就包含了轉子線圈表面，在發電機長期運行下，周圍粉塵會受到壓力影響，吸附在油霧表面，造成轉子線圈表面會呈現出大量的塵埃。

同時，也會增加轉子的受潮度，最終導致轉子絕緣性能降低。出現該故障的主要原因就是在發電機設備安裝的過程中，工作人員并未對油管路油槽進行嚴密監測，對油槽未采取密封措施，導致發電機在實際運行的過程中，油霧散發量逐漸增多，最終造成轉子絕緣性能降低。

3.3 機組振動擺度影響

發電機機組在實際運行的過程中，會出現機組振動現象，通過相應監測測量，發電機擺度測量數據結果，可以對發電機的實際運行穩定情況加以了解。如果在測量的過程中，發現發電機在運行時，振動頻率超出實際標準的情況下，則會說明發電機運行出現了問題，會導致機組滑環位置擺動較大，會增加碳刷磨損程度。另外，機組振動擺度頻率愈加的情況下，則說明發電機轉子磁極振動頻率會有所增加，對發電機轉子絕緣會造成嚴重影響。對該故障因素進行分析的過程中，主要是由于在進行發電機盤車監察的過程中，并未對發電機抽線與軸承間隙進行合理調控，導致間隙為控制在定制范圍內，從而造成發電機在運行的過程中，出現了擺動頻率較大的影響因素。

3.4 轉子絕緣老化

發電機在長期運行的情況下，轉子會高速轉動，會產生出大量的熱量，導致轉子周圍溫度不斷增加。如果轉子絕緣材料長期處于高溫環境下，對轉子絕緣材料造成嚴重影響，導致材料質量降低，最終會逐漸與轉子脫落，造成轉子絕緣電阻阻值降低。在對該故障問題進行分析的過程中，發電機在長期運行的情況下，軸承部位溫度以及定子線圈溫度會逐漸增加，空冷器出風溫度也會逐漸增加。雖然每年對發電機都會進行檢測維修，但在檢測過程中，很容易忽視轉子絕緣檢測性能，最終導致發電機轉子絕緣性能降低。為此，工作人員在檢修工作開展中，應當利用相應的檢測儀，做好轉子以及其余部件的檢修工作[3]。

3.5 轉子回路設備絕緣破壞

發電機在運行的情況下，一旦勵磁系統直流回路出現電纜絕緣材料破損，或者金屬異物與發電機接觸的情況下，會對轉子線圈造成一定的破壞，最終導致轉子絕緣性能降低。在出現該情況時，發電廠監控系統會及時警報，但也會增加周圍電壓強度，造成機組自動停機問題。通過該故障問題分析，發電轉子絕緣能力降低后，轉子瞬時接地并未發生故障，而且機組也為發生跳閘的情況，隨后在檢測中，發現部分電纜由于在長期使用下，表面絕緣材料出現了破損情況，部分位置出現了嚴重的脫落情況，從而導致發電機在運行時，對轉子線圈造成了嚴重的質量影響，最終出現轉子絕緣問題發生。工作人員對水輪發電機機組進行全面檢測，對電纜絕緣破損情況以及金屬異物接地全面檢測，避免對轉子絕緣材料造成破壞，以此解決該問題。

3.6 集電環碳粉堆積

在發電廠集電環室中，水輪機組在運行的過程中，集電環會與電刷滑動之間相互接觸，從而導致勵磁電流會轉送到勵磁繞組當中，集電環與電話之間滑動幅度不斷增加，那么二者之間的摩擦力也會逐漸增加，并會生成大量碳粉，在長時間環境下，會導致集電環以及刷架等堆積大量的碳粉，最終導致發電機轉子絕緣性能降低。在對該故障進行分析的過程中，主要就是由于在發電機運行的過程中集電環絕緣支撐部位，與刷架絕緣支撐部位，存在大量的粉碳堆積情況，從而導致造成發電機運行溫度不斷增加，最終影響了轉子絕緣材料性能，造成轉子絕緣材料阻值降低[4]。

4 轉子絕緣故障處理分析

4.1 碳粉堆積原因分析

4.1.1 集電環絕緣

由于集電環支撐絕緣距離相對較短，整體支撐高度相對較低，形狀主要以凹型為主，但在實際運行的過程中，由于摩擦幅度相對較大，造成磨損的碳粉逐漸增加，造成碳粉堆積在凹型的絕緣支撐當中，最終導致碳粉堆積逐漸增加，導致碳粉在集電環與表之間形成了通道，最終造成集電環絕緣電阻逐漸降低，導致發電機運行溫度增加，造成轉子絕緣性能降低，從而對發電機穩定運行造成了嚴重影響。

4.1.2 集電環原因

在發電廠機組中，會在機組表面涂刷碳刷抹面，但部分機組碳刷抹面相對較為粗糙，甚至部分機組表面存在大量的溝槽，工作人員用手觸摸，可以感覺到機組表面有明顯的不平滑感覺，但一般情況下，機組表面所涂刷的抹面要保持鏡面平滑度，整體較為光滑，這也就說明了發電廠水輪機組在實際運行的過程中，存在集電環水平度，而且表面出現圓跳動阻值，集電環表面粗糙度相對較大，最終造成碳刷磨損程度增加造成碳粉增多。

4.2 處理措施

工作人員在實際檢修的過程中，如果發現集電環碳粉堆積相對較多的情況下，工作人員則需要做好清理工作，提高轉子絕緣材料阻值，不過該方式只能夠暫時解決轉子絕緣問題，無法有效解決，為此則需要做好以下處理工作，以此將該問題全面解決。

4.2.1 集電環改造

一是做好加工處理工作，在安裝集電環時，確保集電環在運行中，振動值達到實際標準要求。二是對集電環表面粗糙度加以控制，避免出現表面粗糙度嚴重，造成碳刷磨損程度增加，最終導致出現大量碳粉，以此降低集電環絕緣性能。三是在機組運行的過程中，集電環溝槽棱角部位很容易受到設備磨損情況，從而造成大量碳粉出現，為此可以量集電環溝槽制作成圓形。四是為了避免碳粉在飄落的過程中，集中在集電環之間的間隙，那么可以將集電環密封，使其保持在密封空間，并且集電環之間的間隙，需要利用擋風板密封，從而促使碳粉飄落在擋風板中。

4.2.2 刷架的改造

一是重新優化布置刷握位置，將其安裝在吸塵口前端部位，或者遠離吸塵口，增加吸塵口抽風量，提高抽風速度，促使將機組中所飄落的碳粉全部排出。二是增加吸風口數量，并將吸風口結構加以轉變，制作成喇叭口，在增加風量的同時，也能夠提高吸塵能力，有效收集碳粉（如圖1所示）。三是刷架。在刷架上端絕緣位置處，爬電距離相對較短，所以可以增加絕緣套，實施側面開溝槽方式，以此增加爬電距離。四是在集電環下導電環、上導電環未支出，安裝毛刷。或者安裝集塵擋板，對集電環密封的情況下，可以收集碳粉，防止碳粉出現飄落的情況。

圖1 吸風口優化對比

4.2.3 碳粉收集裝置及管路優化

一是及時更換設備裝置。選擇功率大、質量好的除塵風機，同時將過濾袋更換為過濾桶，增加碳粉過濾面積，更好收集過濾粉。二是連接除塵器以及吸風口，做好改建，優化設備除塵效果。

4.3 處理效果

發電站機組發電機中，集電環在堆積大量的碳粉情況下，可以對其定期進行清掃，以此提高轉子絕緣性能。同時利用以上相應的處理方式，能夠有效減少發電機在運行過程中，所產生的碳粉量，有效增加了碳粉收集效果，解決了碳粉堆積問題，避免造成發電機運行溫度增加，影響轉子絕緣效果，有效減少了轉子絕緣故障。

5 結語

綜上所述，發電機機組在運行的過程中，要想保障發電機的穩定性，則需要控制好轉子絕緣性能，避免轉子出現絕緣故障，造成發電機無法運行，最終導致發電站無法生產，造成經濟虧損。為此做好發電機轉子故障分析工作，合理做好處理工作，以此保障發電子轉子絕緣性能，為發電站進一步發展奠定良好基礎。