水輪發(fā)電機(jī)磁極絕緣電阻過(guò)低的原因分析及處理

舒 均 盛

（浙江省緊水灘水力發(fā)電廠，浙江 麗水 323000）

前言

緊水灘水電廠是浙江省甌江干流的一個(gè)大型水電站，裝有 6臺(tái)立式水輪發(fā)電機(jī)組，型號(hào)為SF-K50-30/6400，額定功率 50MW，轉(zhuǎn)子額定電壓163V，共有30個(gè)磁極。其中3號(hào)機(jī)于1987年底投產(chǎn)，已經(jīng)運(yùn)行了二十多年，運(yùn)行情況一直良好。2007年9月，該機(jī)組進(jìn)行大修，大修前用1000V兆歐表測(cè)得轉(zhuǎn)子對(duì)地絕緣電阻為10M?。在大修過(guò)程中用GD-1帶電清洗劑進(jìn)行清洗，然后用1000V兆歐表測(cè)量轉(zhuǎn)子對(duì)地絕緣電阻，開始測(cè)量時(shí)絕緣電阻阻值約為 20M?，約20秒鐘后絕緣電阻突然降為 0。低于《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》中的要求值0.5M?，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)子絕緣過(guò)低故障。

1 故障部位確定與故障性質(zhì)的判斷

由于轉(zhuǎn)子絕緣電阻為0，初步判斷是轉(zhuǎn)子的某一部位出現(xiàn)直接接地現(xiàn)象，為了進(jìn)一步判斷故障的部位，在轉(zhuǎn)子的兩極加入200A直流電流，測(cè)量轉(zhuǎn)子各磁極對(duì)地電壓，發(fā)現(xiàn)13號(hào)磁極對(duì)地電壓最低，為電壓的過(guò)零點(diǎn)，初步判斷13號(hào)磁極內(nèi)部有故障。詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1、圖1所示。

為了判斷該故障是否為臨時(shí)性故障，是否可用沖擊電壓法消除。于是對(duì)轉(zhuǎn)子施加沖擊電壓，聽到13號(hào)磁極內(nèi)部發(fā)出“啪”的一聲響。再次測(cè)量轉(zhuǎn)子絕緣電阻，轉(zhuǎn)子絕緣電阻為0.2 MΩ，可以確定是磁極內(nèi)部發(fā)生了永久性的故障，用電壓沖擊法不能將該故障消除。

表1 轉(zhuǎn)子各磁極電壓表 （輸入直流電流200A）

圖1 轉(zhuǎn)子各磁極電壓分布

拆除13號(hào)磁極兩側(cè)的電氣軟接頭，測(cè)得13號(hào)磁極對(duì)地絕緣電阻僅為0.2 MΩ， 12號(hào)磁極至轉(zhuǎn)子引線、14號(hào)磁極至轉(zhuǎn)子引線的絕緣電阻分別為500 MΩ、100 MΩ。說(shuō)明轉(zhuǎn)子13號(hào)磁極內(nèi)部確實(shí)存在故障，因此需要對(duì)13號(hào)磁極進(jìn)行解體檢修。

2 故障現(xiàn)象

拆除13號(hào)磁極兩側(cè)的阻尼環(huán)接頭，拔出磁極鍵，將該磁極吊離轉(zhuǎn)子，然后對(duì)磁極進(jìn)行全面檢查，并進(jìn)行解體，具體現(xiàn)象如下：

（1）磁極壓板與鐵心的上下端部之間間隙過(guò)大，特別是端部的四個(gè)角上有1～2cm間隙。

（2）磁極和鐵心線圈的上下兩個(gè)端部及其兩者之間的環(huán)氧絕緣隔板有很多碳粉。

（3）磁極線圈靠近極靴部分有一個(gè)地方銅導(dǎo)體完全裸露，其附近的絕緣被擊穿，絕緣材料已經(jīng)碳化，如圖2所示。

圖2 磁極線圈故障點(diǎn)照片

（4）位于磁極線圈與磁極鐵心之間的環(huán)氧絕緣板靠近極靴部位也有明顯的燒傷現(xiàn)象，如圖3所示。這些現(xiàn)象可能是對(duì)轉(zhuǎn)子電壓沖擊過(guò)程中出現(xiàn)的。

（5）極靴內(nèi)表面絕緣漆存在明顯缺陷，絕緣漆多處不完整，沒有將金屬部位全部覆蓋，很多部位金屬直接裸露在外面，如圖4所示。

圖3 絕緣板燒傷點(diǎn)照片

圖4 極靴內(nèi)表面絕緣漆照片

3 故障原因分析

根據(jù)磁極的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，磁極線圈與極靴、壓板、鐵心之間通過(guò)與磁極線圈兩側(cè)粘連的環(huán)氧絕緣板以及磁極線圈與鐵心之間的環(huán)氧絕緣隔板提供絕緣，如圖5所示。在正常的情況下，機(jī)組運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子的額定電壓只有163V，轉(zhuǎn)子對(duì)絕緣的要求不高，磁極線圈銅導(dǎo)體某些部位裸露是允許的，而且我國(guó)很多機(jī)組的磁極也普遍存在這種現(xiàn)象，那么為什么還會(huì)出現(xiàn)故障呢，現(xiàn)將故障的原因分析如下：

水輪發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，碳刷因?yàn)榕c滑環(huán)摩擦產(chǎn)生許多碳粉，這些碳粉有相當(dāng)一部分會(huì)進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)部。由于發(fā)電機(jī)機(jī)采用雙路自循環(huán)徑向密閉通風(fēng)形式，采用轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)打風(fēng)作用進(jìn)行空氣循環(huán)。這部分碳粉隨著通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的氣流運(yùn)動(dòng)，最后附著在定、轉(zhuǎn)子的表面。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極壓板的上下兩個(gè)端部與鐵心之間存在較大的間隙，特別是端部的四個(gè)角最大間隙達(dá)2厘米，所以有一小部分碳粉就通過(guò)這些間隙進(jìn)入磁極內(nèi)部。這部分碳粉由于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)受到離心力的作用，逐漸向極靴方向運(yùn)動(dòng)，并最終聚集在磁極的極靴內(nèi)表面。隨著時(shí)間的推移，在磁極上下端部線圈與鐵心之間靠近極靴部位的碳粉會(huì)越積越多，鐵心線圈及其環(huán)氧絕緣板、環(huán)氧絕緣隔板、極靴內(nèi)表面充滿了碳粉。由于極靴內(nèi)表面絕緣漆不完整，有金屬直接暴露在外面。同時(shí)磁極線圈上端部靠近極靴部位表面絕緣層不完整，存在導(dǎo)體裸露現(xiàn)象。這樣就在磁極線圈與極靴之間構(gòu)成一個(gè)通道，使磁極整體絕緣性能下降，嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全運(yùn)行。該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子共有30個(gè)磁極，13號(hào)磁極基本上處于轉(zhuǎn)子回路的中間部位，因此正常運(yùn)行時(shí)對(duì)地電壓很低，如果按電壓平均分布進(jìn)行計(jì)算，該磁極對(duì)地電壓僅為16.3V，因此在機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中并沒有出現(xiàn)故障。在對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行絕緣電阻測(cè)量時(shí)，由于施加在故障磁極上的電壓等于兆歐表的額定電壓 1000V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于故障磁極所能承受的最大電壓，因而出現(xiàn)如前文所述的試驗(yàn)現(xiàn)象。

圖5 磁極結(jié)構(gòu)圖

4 故障處理

為了消除磁極故障，對(duì)磁極進(jìn)行以下處理：

（1）清掃磁極線圈、鐵心、環(huán)氧絕緣隔板。

（2）將磁極線圈故障點(diǎn)和絕緣板已經(jīng)碳化的絕緣材料（環(huán)氧樹脂）刮除，涂上環(huán)氧樹脂進(jìn)行絕緣修補(bǔ)。

（3）將磁極線圈所有裸露的銅導(dǎo)體刷環(huán)氧樹脂加強(qiáng)絕緣。

（4）將極靴內(nèi)表面金屬裸露部分涂上絕緣漆。

（5）將磁極進(jìn)行重新組裝，組裝后用填料將壓板與鐵心之間的間隙全部封堵，防止碳粉進(jìn)入磁極。

磁極組裝后測(cè)得絕緣電阻為500MΩ，說(shuō)明磁極內(nèi)部故障已經(jīng)消除。將磁極安裝到轉(zhuǎn)子磁軛上，并連接兩側(cè)軟接頭和阻尼環(huán)，重新測(cè)量轉(zhuǎn)子絕緣電阻，轉(zhuǎn)子絕緣電阻為500MΩ。

該故障處理后機(jī)組已經(jīng)累計(jì)安全運(yùn)行達(dá)四年，在四年中該磁極運(yùn)行情況良好，說(shuō)明本次故障處理是成功的。

注意事項(xiàng)：

在組裝過(guò)程中要特別注意在焊接壓板時(shí)要分多次焊接，每次焊接后要重新調(diào)節(jié)壓板與鐵心之間的平面度，以防止壓板因受熱而變形。同時(shí)在焊接磁極壓板時(shí)應(yīng)采取措施防止磁極再次故障時(shí)無(wú)法進(jìn)行解體。

5 防止類似故障的建議

為了防止類似故障的發(fā)生，可以從以下幾個(gè)方面采取改進(jìn)措施：

（1）磁極的鐵心與壓板間隙一定要小，必要時(shí)用填料對(duì)間隙進(jìn)行封堵，完全阻斷碳粉進(jìn)入磁極內(nèi)部的通道，防止磁極絕緣過(guò)低故障。

（2）在磁極鐵心的內(nèi)表面，特別是在極靴兩個(gè)端部表面應(yīng)涂一層絕緣漆，這一層絕緣漆應(yīng)有足夠的電氣絕緣強(qiáng)度，并且表面不能有任何破損，以防止發(fā)生磁極接地故障。

（3）提高磁極線圈的整體絕緣水平，特別是提高

靠近極靴部位的線圈絕緣水平，減少線圈導(dǎo)體的裸露。

[1]DL/T 817-2002, 立式水輪發(fā)電機(jī)檢修技術(shù)規(guī)程[S].

[2]DL/T 596—1996, 電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程[S].

[3]劉保德. 水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極線圈故障分析及處理[J].湖北電力, 1995: (2).