小龙水电站发电机转子一点接地问题探讨

王月华

(四川嘉陵江小龙门航电开发有限公司,四川南充 637000)

小龙水电站于 2003年 10月开工建设,是以航电开发为主,兼有防洪、拦沙、旅游、生态等综合效益的城市枢纽工程。电站为河床式,共设计安装了 4台单机容量为 13 M W的竖井贯流式水轮发电机组,是目前亚洲带有增速器的、单机容量最大的竖井贯流式水轮发电机组。由于设备处于试验阶段,设计、安装无经验可循,到目前为止,4台机组由于各种故障原因不能正常连续运行。2011年 4月 2日,1号发电机组由于转子一点接地被迫放弃开机而进行停机专项绝缘检查,组织了专门小组研讨查找,经过认真分析和试验后找到了接地点。

1 转子线圈绝缘问题检测

1.1 主要参数和转子结构

机组参数:额定水头 5 m;额定流量:305.9 m3/s;额定容量:14.44 M V A;定子直径:1.8 m;额定电压/电流:10.5 k V/794 A;额定转速;750 r/m in;磁极个数:8个;定、转子绝缘等级:F级;额定功率因素:0.9(滞后)。

转子主要由转子支架、磁轭、磁极和转子引线等部件组成。转子主轴与磁轭合为一体,由导磁性能好、机械性能高的材料锻造而成。磁轭两端分别设有 16个螺桨式风扇,以利于轴向通风,风叶为锻铝材料 L D 5。磁极为 F级绝缘。

1.2 检测过程

水龙水电站为低水头河床式电站,由于库容量小,机组耗水量大,特别是在枯水期经常由于水量不足而轮流开机。2011年 4月 2日,1号发电机组在停运了 51 h后开机。当 1号发电机组成功开至空载时,发电机保护屏报:“转子一点接地”故障且无法复归。遂立即将 1号发电机开至空转态并停机检查。对 1号发电机组进行绝缘测试,摇测了转子绝缘:首先在 1号发电机励磁柜处摇测转子绝缘为 0;然后拉开励磁柜正负极两根转子引线并拉出转子碳刷,摇测极电环刷到励磁柜电缆的绝缘为 1 120 M Ω,结果良好;在滑环上摇测转子对地绝缘为 0。

1.3 应急处理措施

方案一:清扫了 1号发电机励磁功率柜处风机进风口滤网,擦拭了发电机和水轮机接地碳刷(其中发电机接地碳刷油污较重),打扫了转子清洁卫生,检查了转子回路,转子外围未发现接地点。用低压气吹扫了发电机滑环及发电机定、转子上的碳粉灰尘。拆除了发电机左侧(从上游往下游看)端盖以及增速器和大轴连接处的大轴保护罩,发现转子磁极油污较重;进行了盘车,用白布沾酒精对磁极进行了清扫,检查后摇测转子绝缘为 0。

方案二:将 1号发电机组开至空转干燥观察,经过 16 h的空转干燥后摇测转子绝缘为 0,摇测定子绝缘电阻 15 s时为 73.4 M Ω,60 s时为 88.9 M Ω,吸收比为 1.21。

方案三:采用直流电焊机干燥。具体操作如下:在 1号发电机组出口电缆柜内将 A、B、C三相定子线圈中任意相邻两相接入直流电焊机正负极,然后将厂用电接入直流电焊机,输出直流电给发电机定子线圈进行干燥,从而使转子得以干燥。两种方案中加热器同时投入,除湿机处于运行状态。经过近 50 h连续通流加热后,摇测转子绝缘还是为 0。

方案四:将直流电焊机接至 1号发电机组励磁柜处的励磁正负极,给直流电焊机缓慢加电流直接对转子进行干燥近 20 h后,摇测转子绝缘仍为0。

2 转子一点接地原因分析

发电机良好的绝缘电阻是安全运行的关键,如果在绝缘电阻不良的情况下还继续运行是非常危险的。转子一点接地是发电机运行中发生较多的故障。转子一点接地时,无电流流过故障点,励磁电流仍然保持正常,对发电机并无直接危害,但此时转子绕组对地已产生电压,当系统发生各种扰动时,电压可能出现较大值(如果接地点在滑环附近,电压最高可达正常时的两倍),进一步危及转子绝缘,极易造成另外一点接地,从而形成转子两点接地短路。

发电机转子一点接地的主要原因简要分析有以下几点:(1)刷架和集电环上堆积过多的碳粉;(2)转子集电环与磁极线圈间引线电缆破损;(3)磁极线圈及绝缘垫板碳粉长期堆积吸潮接地;(4)转子安装时磁极绝缘意外损伤或绝缘老化;(5)转子磁极加工工艺问题。

2.1 刷架和集电环上堆积了过多碳粉的原因

由于机组长期运行,定期维护时间少,在滑环处有大量的碳粉、灰尘、油污长期堆积,会造成滑环对地绝缘降低,引起转子接地。

2.2 转子集电环与磁极线圈间引线电缆破损

引线电缆一头与集电环上螺栓连接后,经过发电机大轴,用铁皮线夹径向固定在转子端面上,然后再同磁极线圈接头相连,因而引线电缆有可能破损,引发转子一点接地。可能有:(1)电缆长期工作在较高温度环境中,局部位置又粘到些渗漏的润滑油中,电缆的橡胶绝缘层便会受到腐蚀,时间一长,电缆就会产生裂缝,裂缝中又容易渗入油污,待其积累到一定程度 ,就会使电缆通过油污产生接地;(2)电缆随转子一起转动,由于电缆铜芯线与橡胶绝缘层材料的弹性不同,在变化的离心拉力作用下,易使固定电缆的铁皮线夹割破绝缘层而造成电缆铜芯线与转子端面发生接地。

2 .3 磁极线圈及绝缘垫板碳粉长期堆积吸潮接地

(1)竖井贯流式机组机坑内湿度较大,机组在正常运行中,由于铜、铁损所产生的热量及冷却风的存在,灰尘干燥,绝缘较好,冷却风把碳粉和灰尘带入到磁极线圈上。一旦停机时间较长,空气湿度加大,附着在磁极线圈上的灰尘就会因受潮造成绝缘下降,从而发生一点接地。(2)碳刷粉尘、后轴承处的接地碳刷粉尘、刹车制动粉尘在机组工作时很容易进入发电机内并附着在磁极上;(3)前轴承、后轴承漏油:由于设备的质量、安装缺陷,导致前、后轴承经常漏油,使得定子、转子线圈内均有积油。当机组运行时,这些粉尘和漏油一起混合形成油污,附着在定子线圈、转子磁极和绝缘垫板上,严重威胁发电机绝缘;(4)发电机电加热器未按时投入运行,除湿机效果差,使机组在停机时干燥得不到保证,导致绝缘容易受潮;(5)碳粉吸收装置效果不理想。

3 转子一点接地问题的处理方案

3.1 查找一点接地的磁极方法:通直流电测压降法判定接地点

在投入了大量的人力、物力后还是未找到转子一点接地的情况下,小龙水电站专门请厂方的专家和本站的技术人员共同研讨后,决定采用通直流电测压降的方法寻找磁极接地点。其原理为:每个磁极的压降是相同的,越接近接地点电压会逐渐降低并接近 0。方法如下:将直流电焊机的正负极与转子的正负极相联,缓慢通直流电。将万用表的正极表笔与一个磁极接触(接触点将绝缘漆刮破),负极表笔接地(也可用万用表负极表笔与一个磁接触,正极表笔接地查找接地磁极),此时万用表有一电压值。采用相同的方法再测量相邻一个磁极的电压,如果电压升高,则说明接地点在相反方向的磁极上,此时需再测相反方向的磁极电压,若此时电压降低,说明离接地点越近,直至测得电压接近 0。如果继续测下一个磁极电压,将会变成负值,说明前一个磁极即是接地磁极。通过该方法最终判定接地点在六号磁极(从上游侧以右边引线极顺时针编号)。

3.2 改进措施

在 1号发电机组带缺陷运行后,小龙水电站加强了对 1号发电机组运行环境和保护的改造处理,方案如下:

(1)在 1号发电机组竖井内增加了电加热器台数;(2)对除湿机进行了改造,让其自动排除内存的积水,提高除湿效果;(3)将发电机碳粉吸收装置主电机由原来的单相400W更换为三相1 000 W,风量由原来的 600 m3/h增加到 800 m3/h,尽量减少碳粉进入转子和定子;(4)投入 1号发电机组转子两点接地保护,将动作时间缩短为0.5 s;(5)缩短对 1号发电机组的定期维护时间,在运行时加强巡视。

4 结 语

小龙水电站通过对 1号发电机组进行近10 d的各种处理和试验确定是 6号极有接地点后,由于消除转子磁极接地点必须将转子吊出,需要较长的时间,而转子磁极在一点接地情况时仍可正常发电(但须加强监视),为了不浪费水资源,创造更大的经济效益,又再次将 1号发电机组投入运行,在运行过程中采取了防止再发生另一点接地的措施。处理过程和查找转子磁极一点接地的方法可为同类电站处理类似问题提供参考。