發電機勵磁轉子外絕緣異常原因及措施分析

摘 要：靜態勵磁發電機勵磁轉子絕緣合格是機組啟動必要條件之一。然而調查發現，珠三角沿海地區數家發電廠的在潮濕天氣下均出現勵磁轉子絕緣不合格的情況，影響電網安全和生產經營。因此本文分析了影響靜態勵磁發電機勵磁轉子外絕緣的因素，并結合沿海某電廠具體案例，分別從設備的潮濕、潔凈情況和憎水性能等方面對勵磁轉子絕緣電阻異常原因進行了分析，并提出應對措施。實踐表明，通過在勵磁碳刷間內設置熱風干燥回路、直流封母做穿墻封堵以及設置防潮加熱器等措施，可明顯改善勵磁碳刷間各勵磁轉子設備和勵磁直流封母線濕度，能有效解決勵磁轉子外絕緣異常問題，對解決類似問題具有借鑒價值。

關鍵詞：靜態勵磁發電機；勵磁轉子；絕緣受潮；憎水性；熱風干燥

中圖分類號：TM 621" " 文獻標志碼：A

隨著電力市場改革的深化，電網對發電機組的調控要求不斷提升。發電機組需要嚴格遵照電網調度要求啟?；騻溆茫绻霈F啟動不及時的情況，不僅會影響電網安全，還會受電網嚴厲的電量考核。發電機組啟動條件之一就是定子轉子絕緣合格，根據DL/T 596《電力設備預防性試驗規程》要求，對于300MW以上的隱極型電機，在10℃～30℃下，轉子繞組絕緣不低于0.5MΩ；對于一般母線，絕緣電阻不低于1MΩ/1kV[1]。

本文調查了珠三角沿海地區6家發電廠的不同型號的靜態勵磁發電機組，包括7臺330MW全氫冷同步發電機，2臺660MW水氫氫冷同步發電機，2臺的300MW全氫冷同步發電機和2臺150MW空冷同步發電機。當環境濕度＞80%時，均出現勵磁轉子絕緣不合格的情況，因此解決該問題具有重要意義。

靜態勵磁發電機的勵磁轉子設備結構基本相同，包括勵磁直流回路（滅磁開關之后）、勵磁直流封閉母線、勵磁碳刷基座臺板內的銅母排、勵磁碳刷架、轉子滑環、導電螺桿以及轉子繞組等部分。本文從珠海某電廠QFR-340-2-16型靜態勵磁發電機的實踐案例出發，分析勵磁轉子絕緣異常原因和應對措施。

1 影響勵磁轉子外絕緣的因素

某種瀝青云母絕緣材料施加直流電壓產生的電流類型如圖1所示。向絕緣材料施加一個直流電壓時，產生的總電流由4個分量電流組成，包括表面泄漏電流IL、電容電流IC、電導電流IG和吸收電流IA[2]。對于表面不潔凈且濕潤的絕緣材料，總電流以泄漏電流IL和電導電流IG為主，即絕緣體不隨時間變化的表面電流和吸潮后產生的體積電流。

相關研究表明，當絕緣材料表面受潮固然會使絕緣電阻下降，但如果絕緣體表面足夠潔凈，設備施加足夠能量的電源后，表面泄漏電流IL產生的熱量使潮氣蒸發，泄漏電流基本消失。相反，如果絕緣體表面十分臟污，污穢物中溶于水膜的鹽分或導電成分使絕緣體表面導電率增加，泄漏電流大幅增加并產生熱量，使潮氣蒸發，形成部分干燥區域（由于表面臟污分布不均，因此電流密度不均勻，電流密度大的區域易干燥），干燥區域電場較大，形成各種類型的電弧放電，產生的局部過熱會使絕緣材料碳化，嚴重時會貫穿兩極，形成嚴重短路。

另外，絕緣電阻還受絕緣材料憎水性能得到影響。一些絕緣材料憎水性較差，水蒸汽在材料表面凝結成水珠。材料表面被潤濕，并通過毛細作用將水吸入，具體表現為材料潤濕角＜90°。如果水珠被吸入材料內，就會導致泄漏電流IL和電導電流IG增加。

綜上所述，絕緣材料表面受潮、臟污和憎水性能差是影響外絕緣的主要因素。

2 勵磁轉子絕緣電阻異常原因分析

2.1 潮濕原因

靜態勵磁發電機的勵磁直流回路（滅磁開關之后）包括勵磁直流封閉母線、勵磁碳刷架和轉子滑環等部分。其中，發電機轉子繞組采用干燥的氫氣冷卻，勵磁系統整流模塊則長期在干燥的空調室內，受潮可能性均較小。經該電廠技術人員長期觀察，易受潮的區域主要包括勵磁碳刷間內各勵磁轉子設備和勵磁直流封閉母線。

2.2 潔凈原因

潔凈原因如下所示。1）勵磁碳刷間內各勵磁轉子設備。勵磁碳刷在高速旋轉的集電環上摩擦，產生大量碳粉。第一部分碳粉被滑環正、負極間的引風機吸入，由臺板內的空間和勵磁碳刷小間的風罩送至外界；第二部分碳粉則附著在碳刷架、集電環絕緣套筒、銅母排的環氧樹脂絕緣漆外表面、環氧樹脂固體夾件以及風罩內部。如果發電機碳刷間內有軸承，其產生的油煙會加重上述第二部分碳粉的附著。因此勵磁碳刷間內絕緣件易臟污并影響絕緣。2）勵磁直流封閉母線。透氣孔上設置了密度較高的過濾網，母線對粉塵過濾具有一定效果，但無法過濾廠房附近潤滑油、密封油和EH油等系統產生的油煙，因此封母內絕緣件上會附著油污。

2.3 絕緣材料憎水性能原因

2.3.1 勵磁碳刷間

勵磁碳刷間內具有絕緣作用的包括集電環絕緣套筒、碳刷架的工程塑料件和環氧樹脂板、銅母排上的環氧樹脂絕緣漆以及固定銅母排的環氧樹脂夾件。該電廠技術人員對上述絕緣件采用噴水壺進行噴水測試。通過肉眼觀察可發現絕緣套筒和碳刷架環氧樹脂板的水珠形狀處于浸濕狀態（0°＜潤濕角θ＜90°）。

由于銅母排上的環氧樹脂絕緣漆和固定銅母排的環氧樹脂夾件不便于觀察，分別對7個夾件（正極4個，負極3個）和銅母排端部進行增濕處理，并測量勵磁銅排對底座絕緣（環境為溫度25℃，濕度86%）。直流勵磁母線絕緣試驗結果見表1。

由表1試驗結果可知，銅母排正極#4夾件位置和銅排端部裸露部門受潮時，母排對底座絕緣下降較明顯。

2.3.2 勵磁直流封閉母線

對封母的環氧樹脂板采用噴水壺進行噴水測試。通過肉眼觀察可發現絕緣件上的水珠形狀處于浸濕狀態（0°＜潤濕角θ＜90°）。因此該環氧樹脂板憎水性能不強。

3 外絕緣異常的應對措施

3.1 勵磁碳刷間各勵磁轉子設備防潮處理

3.1.1 熱風干燥回路設置

針對勵磁碳刷間內各勵磁轉子設備所在環境潮濕、絕緣材料憎水性能較差問題，該電廠提出了一種干燥方案，即在勵磁碳刷間內設置熱風干燥回路，如圖2所示。對勵磁碳刷間內的滑環絕緣套筒、碳刷架絕緣支撐和臺板內部母排的絕緣件等勵磁轉子設備進行熱風烘干，減少絕緣材料上水分的凝結，提升絕緣電阻。

從圖2可以看出，該電廠在勵磁小間兩側各布置一臺熱風機，在碳刷架風罩設置進風接口，并通過隔熱風管連接，使風管從兩側對勵磁刷架送熱風。熱風其中一部分進入風罩內部，通過兩側正、負極滑環處流至勵磁小間環境中，將滑環絕緣套筒、刷架絕緣支撐烘干。另外一部分熱風進入風罩內部，通向底座臺板內，將母排絕緣支撐烘干，再通過勵磁小間抽風機的出風道排出。

3.1.2 傳熱分析和設計

為了提升熱風干燥的絕緣效果且絕緣材料溫升不超過限制，對熱風風路進行傳熱分析和設計，目的是估算熱風機所需功率，設計各部件的溫升，確保絕緣材料表面溫度不超過B級溫升考核要求，即130℃，同時滿足絕緣材料表面溫度高于當前潮濕環境溫度的要求。風道內的熱風對設備主要進行熱對流換熱，將流道等效成一個直徑為d的圓柱管，可采用牛頓冷卻定律計算，如公式（1）所示。

P=h·A·（Ts-Tf） " " （1）

式中：P為單位時間內通過流體的熱量；A為傳熱面積；Ts和Tf分別為物體表面和流體的溫度；h為對流換熱系數，該數值需要進一步驗算。

由于對流換熱系數h的計算方法與氣體雷諾數Re相關，如公式（2）所示。

（2）

式中：Q為單位時間熱風的體積流量，熱風機流量至少為500m3/h；d為管內徑，最大估算為0.8m；S為流道截面積；v為空氣動力黏度，14.8×10-6m2/s。

得出雷諾數為14943＞10000，處于旺盛的紊流狀態，可采用迪圖斯-貝爾特公式計算對流換熱系數h，如公式（3）所示。

（3）

式中：k為絕緣材料導熱系數，根據現場材料組成選取k=0.65；Pr為普朗特數，該環境壓力溫度下，選取Pr=0.707。

下面進行熱風干燥的熱平衡分析。熱風干燥的熱平衡圖如圖3所示。根據現場試驗測算，所有損耗和排出熱量的占比（P1+P5+P6）最大不超過45%。結合公式（1）～公式（3），風溫Tf設計恒定控制在65℃，絕緣表面Ts加熱至50℃，溫差為15℃，采用Q=500m3/h熱風量。下面對各部件的熱對流參數進行計算（v=14.8×10-6m2/s，k=0.65）。

如表2所示，碳刷架、集電環和臺板內部母排絕緣材料的換熱量P2、P3、P4分別為1426W、1315W和2761W，總計5502W，考慮最大的損耗和排出熱量，總輸入熱量應至少為10kW。因此送風的參數應設置為10kW、500m3/h和65℃。

3.1.3 干燥效果檢查

干燥方式優化后，在環境溫度32℃、環境濕度83%的條件下，該電廠測試了#1發電機勵磁碳刷熱風烘干效果，結果見表3。優化前，勵磁轉子絕緣由打不起壓至絕緣合格（0.5MΩ）需要20h，優化后只需要1h，為機組啟動準備節省了大量時間，確保機組按照電網要求及時啟動，避免出現電網考核。

3.2 勵磁直流封母線防潮處理

3.2.1 直流封母做穿墻封堵

該電廠為解決潮濕空氣在穿墻處冷凝問題提出解決方案，在直流封母位于勵磁配電間處做穿墻封堵。利用云母材料絕緣性能強、導熱系數低的特點，在穿墻處將云母作為封堵和支撐材料，并在夾層中填充保溫棉，充分降低熱傳導，取得了良好的絕緣效果。

穿墻封堵內、外濕度對比曲線圖如圖4所示。在直流封母的穿墻封堵內、外分別安裝一個在線濕度測試儀（為確保數據真實性，關閉直流封母防潮加熱器），記錄一天內的濕度情況（該天的平均環境溫度為30℃，平均相對濕度為85%）?？梢钥闯觯Ψ舛聝炔康臐穸扔忻黠@改善。

3.2.2 設置防潮加熱器

該電廠技術人員在勵磁直流封母設置防潮加熱器，提升封母內溫度，減少凝露的發生。直流勵磁封母內、外濕度對比曲線圖如圖5所示。在直流封母內安裝2個在線濕度測試儀，開啟電加熱器，記錄一天內濕度情況（該天的平均環境溫度為34℃，平均相對濕度為84%）。由此可見，直流封母內部的濕度有明顯改善。

3.3 其他應對措施

該電廠技術人員加強勵磁碳刷間內各勵磁轉子設備和勵磁直流封母的定期清潔，保持設備良好潔凈度，從而提升絕緣電阻。為了減少勵磁碳刷間內的碳粉污染，部分電廠安裝了碳粉除塵器，對提升該區域設備絕緣具有一定作用。部分電廠采用憎水性能強的DMC絕緣材料替換環氧樹脂絕緣材料，取得了一定成效。

4 結語

本文從珠海某電廠靜態勵磁發電機提升勵磁轉子外絕緣的實踐案例出發，分析外絕緣下降的原因，并提出若干解決方案。其中對勵磁轉子各設備易受潮和臟污區域的分析和絕緣材料憎水性能測試方法可為其他發電廠提供參考，勵磁碳刷間內設置熱風干燥回路、直流封母做穿墻封堵、設置防潮加熱器等方案也可應用于其他電廠，對解決勵磁轉子絕緣異常問題具有一定借鑒意義。

參考文獻

[1]全國電力設備狀態維修與在線監測標準化技術委員會.電力設備預防性試驗規程：DL/T 596[S].北京：中國電力出版社，2021：8，96.

[2]嚴璋.高電壓絕緣技術[M].北京：中國電力出版社，2019.