王小龍

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650032）

1 概述

對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)而言，轉(zhuǎn)子回路絕緣的可靠性非常重要，當(dāng)轉(zhuǎn)子回路絕緣降低或發(fā)生一點(diǎn)接地故障時(shí)，由于轉(zhuǎn)子繞組沒有形成短路回路，接地點(diǎn)不會(huì)有故障電流，所以一般不會(huì)產(chǎn)生較重的后果。需要擔(dān)心的是如果發(fā)生第二點(diǎn)接地，一部分轉(zhuǎn)子繞組將被短接，故障電流可能會(huì)燒損轉(zhuǎn)子回路的相關(guān)部件，部分勵(lì)磁繞組被短接以后氣隙磁場發(fā)生的畸變會(huì)造成機(jī)組振動(dòng)異常，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成威脅。所以，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣出現(xiàn)降低的情況時(shí)，務(wù)必要引起重視，及時(shí)分析絕緣降低的原因并進(jìn)行處理。

某水電站是新疆維吾爾自治區(qū)重點(diǎn)水利工程，位于阿克蘇地區(qū)拜城縣境內(nèi)最大的河流木扎提河上，是南疆地區(qū)最大的無壩引水式水電站，工程由渠首、引水系統(tǒng)、岸邊廠房等建筑物組成，工程等別為三等中型。水電站主廠房安裝有4臺(tái)立軸混流式機(jī)組，引水系統(tǒng)為一管四機(jī)形式，兩臺(tái)小機(jī)組（1號(hào)、2號(hào)）單機(jī)容量10 MW，兩臺(tái)大機(jī)組（3號(hào)、4號(hào)）單機(jī)容量70 MW，總裝置容量160 MW，年平均可發(fā)清潔電量約為5.42億kW·h，每年可節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤50萬t。在機(jī)組啟動(dòng)試運(yùn)行階段，兩臺(tái)小機(jī)組先后完成了試啟動(dòng)試運(yùn)行并順利投入了商業(yè)運(yùn)行；兩臺(tái)大機(jī)組在并網(wǎng)發(fā)電后發(fā)生了轉(zhuǎn)子絕緣降低的故障，兩臺(tái)大機(jī)組發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下：

旋轉(zhuǎn)方向：從N端（非傳動(dòng)端）看為順時(shí)針方向

水輪發(fā)電機(jī)在額定電壓、額定轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)為1時(shí)的持續(xù)容量為82.353 MW。

2 轉(zhuǎn)子絕緣降低的異常情況

2.1 3號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)子絕緣降低的問題

在3號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)子安裝階段，磁極掛裝后，在做轉(zhuǎn)子整體耐壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)生過磁極撐塊與磁極線圈之間多處放電現(xiàn)象，根據(jù)主機(jī)廠現(xiàn)場技術(shù)服務(wù)人員指導(dǎo)下，現(xiàn)場安裝人員對(duì)磁極撐塊邊緣棱角進(jìn)行了打磨修型，盡量減少磁極撐塊與磁極線圈的距離，增加絕緣材料（絕緣紙、浸膠適形氈）的預(yù)留寬度等處理措施后，再次耐壓試驗(yàn)時(shí)磁極間撐塊放電現(xiàn)象才基本消除，轉(zhuǎn)子整體耐壓試驗(yàn)通過。

2021年5月20日 3號(hào)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，并網(wǎng)發(fā)電前在1 000 V電壓下測(cè)量轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)絕緣為112 MΩ，2 500 V電壓下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)絕緣為 25 MΩ，滿足轉(zhuǎn)子絕緣不低于0.5 MΩ的規(guī)范要求。7月6日，檢查 3號(hào)機(jī)發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置上顯示轉(zhuǎn)子對(duì)地絕緣值為 10～30 kΩ之間浮動(dòng)變化，并發(fā)出轉(zhuǎn)子絕緣低的報(bào)警信號(hào)，對(duì)機(jī)組進(jìn)行停機(jī)檢查。

表1 3號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)子絕緣檢測(cè)數(shù)據(jù)表

2.2 4號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)子絕緣降低的問題

在4號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)子安裝階段，磁極掛裝后，在做轉(zhuǎn)子整體耐壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)生過磁極撐塊與磁極線圈之間多處放電現(xiàn)象，根據(jù)主機(jī)廠現(xiàn)場技術(shù)服務(wù)人員指導(dǎo)下，現(xiàn)場安裝人員對(duì)磁極撐塊邊緣棱角進(jìn)行了打磨修型，盡量減少磁極撐塊與磁極線圈的距離，增加絕緣材料（絕緣紙、浸膠適形氈）的預(yù)留寬度等處理措施后，再次耐壓試驗(yàn)時(shí)磁極間撐塊放電現(xiàn)象才基本消除，轉(zhuǎn)子整體耐壓試驗(yàn)通過。

2021年7月16日，4號(hào)機(jī)組空載啟動(dòng)前，檢測(cè)轉(zhuǎn)子回路絕緣電阻值為 1.81 GΩ(2 500 V)；啟動(dòng)后額定轉(zhuǎn)速下檢測(cè)轉(zhuǎn)子回路絕緣電阻值為 1.50 GΩ （2 500 V），轉(zhuǎn)子回路絕緣電阻值滿足規(guī)范要求。機(jī)組啟動(dòng)4 h后，額定轉(zhuǎn)速下對(duì)轉(zhuǎn)子回路絕緣電阻復(fù)測(cè)，測(cè)試電壓檔位在1 000 V時(shí)，轉(zhuǎn)子回路絕緣電阻值在6 kΩ～0.61 MΩ之間來回變動(dòng)，測(cè)試電壓輸出 80～700 V之間變動(dòng)；測(cè)試電壓檔位在2 500 V時(shí)，轉(zhuǎn)子絕緣電阻值僅為3 kΩ，測(cè)試電壓輸出僅為6 V左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)機(jī)組進(jìn)行停機(jī)檢查。

表2 4號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)子絕緣檢測(cè)數(shù)據(jù)表

3 轉(zhuǎn)子絕緣電阻降低的原因分析

根據(jù)上述異?，F(xiàn)象，結(jié)合機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和以往處理類似問題的經(jīng)驗(yàn)，初步分析認(rèn)為，原因可能有如下幾種：

（1）集電環(huán)碳粉堆積

集電環(huán)隨機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與碳刷滑動(dòng)接觸，將勵(lì)磁電流傳遞到轉(zhuǎn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)子繞組之中。集電環(huán)與碳刷之間的滑動(dòng)摩擦?xí)纬商挤?，在集電環(huán)旋轉(zhuǎn)過程中周圍氣流形成的吸附效應(yīng)的作用下，機(jī)組長時(shí)間運(yùn)行后就會(huì)在集電環(huán)、集電環(huán)支架、刷架等部位上堆積碳粉，當(dāng)碳粉堆積達(dá)到一定量時(shí)就能形成導(dǎo)電通道，進(jìn)而造成轉(zhuǎn)子絕緣電阻值降低。針對(duì)該原因進(jìn)行分析得知：在機(jī)組停機(jī)后，工作人員對(duì)發(fā)電機(jī)機(jī)罩內(nèi)進(jìn)行全面檢查發(fā)現(xiàn)，雖然3號(hào)、4號(hào)機(jī)組集電環(huán)絕緣支撐及刷架絕緣支撐處有碳粉，但是量不多，碳粉清理之后，轉(zhuǎn)子絕緣電阻值有少量回升，但離合格標(biāo)準(zhǔn)還有較大差距，因此集電環(huán)碳粉堆積不是該機(jī)組轉(zhuǎn)子絕緣降低問題的主要原因。

（2）機(jī)組振動(dòng)和擺度影響

水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)和擺度數(shù)據(jù)是反映機(jī)組運(yùn)行工況的重要指標(biāo)。當(dāng)發(fā)電機(jī)振動(dòng)和擺度超標(biāo)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致機(jī)組集電環(huán)處振擺超標(biāo)，碳刷摩擦不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致碳刷磨損增多。此外，如機(jī)組振動(dòng)擺度超標(biāo)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的鐵心和線圈相對(duì)振動(dòng)增加，亦會(huì)對(duì)機(jī)組絕緣造成不利影響。對(duì)該原因進(jìn)行分析：兩臺(tái)大機(jī)組均是新投運(yùn)的機(jī)組，機(jī)組振動(dòng)和擺度數(shù)據(jù)優(yōu)良，現(xiàn)場實(shí)際觀察也未發(fā)現(xiàn)機(jī)組有異常振動(dòng)及異響。因此排除了該原因。

（3）磁電纜絕緣破壞、磁極連線壓緊螺栓絕緣套管破損

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路中若出現(xiàn)勵(lì)磁電纜絕緣破壞、磁極連線壓緊螺栓絕緣套管破損等情況時(shí)，都將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子絕緣降低，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，該問題發(fā)生的概率還比較大。在這種情況下，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)偶發(fā)報(bào)接地故障信號(hào)，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致機(jī)組跳閘停機(jī)。針對(duì)該原因進(jìn)行分析得知：該電站機(jī)組雖出現(xiàn)了轉(zhuǎn)子絕緣降低的情況，但未出現(xiàn)轉(zhuǎn)子瞬時(shí)接地故障和機(jī)組跳閘的情況。停機(jī)后拆除勵(lì)磁電纜單獨(dú)搖絕緣，結(jié)果合格；逐個(gè)檢查和測(cè)試磁極連線壓緊螺栓絕緣套管的絕緣電阻，結(jié)果合格。經(jīng)過全面檢查未發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁電纜絕緣破損、磁極連線壓緊螺栓絕緣套管破損等情況。因此，可排除此原因。

（4）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子受潮

水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境中如果空氣比較潮濕，由于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子絕緣被空氣中水分入侵，或者水輪發(fā)電機(jī)組長期停機(jī)備用，機(jī)組就有可能出現(xiàn)絕緣降低的情況。但是，本電站地處我國西北邊疆地區(qū)，氣候常年干燥少雨，且機(jī)組已發(fā)電運(yùn)行了一段時(shí)間，機(jī)組運(yùn)行時(shí)本身溫度高于環(huán)境溫度，因此可以排除發(fā)電機(jī)受潮的原因。

（5）磁極本身及磁極連線的問題

排除以上4種常見的原因后，轉(zhuǎn)子絕緣問題就只能是磁極本身及磁極連線的問題了，這個(gè)部位是轉(zhuǎn)子回路的最末端也是最重要、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的部位。該機(jī)組共有16個(gè)磁極，現(xiàn)場采取排除法進(jìn)行逐個(gè)（對(duì)）磁極檢查，首先斷開1號(hào)和8號(hào)磁極連線，分成1號(hào)～8號(hào)、9號(hào)～16號(hào)兩部分，對(duì)半排除，用1 000 V的兆歐表分別測(cè)量兩部分磁極的絕緣電阻，結(jié)果1號(hào)～8號(hào)磁極絕緣電阻值在1 GΩ以上，絕緣合格；9號(hào)～16號(hào)磁極的絕緣電阻值幾乎為零，那么問題就在這8個(gè)磁極中，再對(duì)這8個(gè)磁極對(duì)半排除4個(gè)磁極，4個(gè)磁極對(duì)半再排除兩個(gè)，最后鎖定12號(hào)和13號(hào)這對(duì)磁極絕緣不合格，重點(diǎn)對(duì)這對(duì)磁極進(jìn)行排查。用2 500 V兆歐表檢測(cè)12號(hào)、13號(hào)磁極的絕緣電阻時(shí)發(fā)現(xiàn)這對(duì)磁極撐塊下部與磁極線圈接觸的部位有明顯的放電現(xiàn)象，且絕緣值幾乎為零。至此，造成轉(zhuǎn)子整體絕緣降低的原因已明晰，即12號(hào)、13號(hào)磁極撐塊（鋁質(zhì)材料）與磁極匝間絕緣有問題，磁極撐塊固定結(jié)構(gòu)不牢靠，磁極撐塊發(fā)生了位移，絕緣安全距離不足，絕緣材料單薄，最終在磁極撐塊與磁極線圈之間形成了爬電通道，造成轉(zhuǎn)子整體對(duì)地絕緣電阻值降低。

4 現(xiàn)場檢查及處理

針對(duì)12號(hào)、13號(hào)磁極撐塊（鋁質(zhì)材料）與磁極匝間絕緣問題，現(xiàn)場分析了該部分的結(jié)構(gòu)形式，重點(diǎn)進(jìn)行了檢查和研判，主機(jī)廠提供的磁極撐塊材質(zhì)為鋁質(zhì)，撐塊與磁極裸露的匝間距離很小，中間靠1張薄的絕緣紙、1張浸膠適形氈、1塊環(huán)氧板隔開。磁極撐塊僅有水平方向的拉桿固定，垂直方向無固定。機(jī)組在旋轉(zhuǎn)過程中磁極和磁極撐塊受離心力、重力等聯(lián)合作用下，導(dǎo)致磁極撐塊出現(xiàn)了向下的位移，且各組件間存在相對(duì)位移，改變了絕緣安全距離，進(jìn)而導(dǎo)致絕緣間隙發(fā)生變化。磁極撐塊與磁極線圈之間的絕緣材料單薄、安全距離不足等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原因亦是造成了磁極撐塊與磁極線圈之間絕緣不可靠，造成轉(zhuǎn)子整體絕緣降低的重要原因。兩臺(tái)大機(jī)組均存在同樣的問題，因此，該絕緣降低的問題產(chǎn)生不是個(gè)例現(xiàn)象，應(yīng)屬于系統(tǒng)性問題，要從源頭上排查原因，才能徹底解決問題，保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 磁極撐塊與磁極線圈結(jié)構(gòu)實(shí)圖

問題處理：問題發(fā)生時(shí)，兩臺(tái)大機(jī)組均已并網(wǎng)發(fā)電，機(jī)組內(nèi)部空間非常狹小，且上擋風(fēng)板不能單獨(dú)拆除，如要徹底處理該問題需要把機(jī)組拆開、吊出轉(zhuǎn)子才能進(jìn)行，這樣將給電廠帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為了將問題造成的影響最小化，現(xiàn)場處理團(tuán)隊(duì)經(jīng)反復(fù)討論，決定先將撐塊下移的問題進(jìn)行糾正，把磁極撐塊的下移量頂回去，頂回去之后再測(cè)該對(duì)磁極的絕緣電阻值已達(dá)到了500 MΩ以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足規(guī)范要求的0.5 MΩ以上的標(biāo)準(zhǔn)。為了防止頂回去的撐塊再次下移，現(xiàn)場處理人員對(duì)磁極撐塊與磁極線圈之間涂刷了3遍絕緣膠，絕緣膠固化后既可以強(qiáng)化絕緣，還有比較高的強(qiáng)度可有效阻止磁極撐塊再次下移。撐塊處理完成后，把轉(zhuǎn)子所有磁極連線及引線等恢復(fù)連接，再次測(cè)量轉(zhuǎn)子整體對(duì)地的絕緣電阻值大于500 MΩ，再次開機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)子對(duì)地絕緣電阻值在機(jī)組動(dòng)態(tài)情況下也大于500 MΩ，滿足規(guī)范要求。兩臺(tái)大機(jī)組均按同樣的方式進(jìn)行處理，處理效果基本相同，轉(zhuǎn)子絕緣電阻值滿足規(guī)范要求，兩臺(tái)大機(jī)組均得以恢復(fù)發(fā)電運(yùn)行。

5 結(jié)論

該水電站兩臺(tái)大機(jī)組轉(zhuǎn)子磁極撐塊與磁極線圈之間絕緣安全距離（間隙）偏小、絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷，磁極撐塊絕緣結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不高、可靠性不強(qiáng)，是造成機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電后轉(zhuǎn)子絕緣電阻先后發(fā)生持續(xù)降低、波動(dòng)變化、直至低于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)0.5 MΩ以下等問題的根源所在?，F(xiàn)場通過采取臨時(shí)措施，暫時(shí)性的解決了該問題，使得兩臺(tái)大機(jī)組在豐水期恢復(fù)了發(fā)電狀態(tài)，避免了大的經(jīng)濟(jì)損失。要徹底解決該問題需要主機(jī)廠改進(jìn)磁極撐塊絕緣的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，可以在枯水期大機(jī)組檢修時(shí)進(jìn)行徹底整改，以絕后患，保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。