水轮发电机组转子绝缘下降的原因分析及处理

邓惠君

(国电新疆开都河流域水电开发有限公司，新疆 库尔勒 841000)

水轮发电机组转子绝缘下降的原因分析及处理

邓惠君

(国电新疆开都河流域水电开发有限公司，新疆 库尔勒 841000)

详细阐述了碳粉油泥形成的原因、引起转子绝缘下降的原理，以及绝缘下降带来的危害，并通过多种方法加以处理，解决了因碳粉油泥引起的绝缘下降快的难题，为有此类问题的发电机组以及大型电机提供了解决方案。

发电机组；集电环；碳粉；绝缘下降；原因

0 引言

水轮发电机组的集电环是将励磁电流导向转子线圈的接线端，作为高速滑动的接触部件，其与碳刷的滑动接触势必会导致碳刷的磨损，而磨损形成的碳粉会附着在集电环上，当碳粉在集电环的绝缘部位不断积聚时，就会引起转子绝缘的下降。许多电厂由于种种原因会有集电环碳刷磨损严重、碳粉较多的问题，从而导致转子绝缘下降快，不得不被迫停机处理碳粉。本厂3台机组均有此类问题，每台机每季度清扫一次碳粉，针对此种情况，经过分析试验，提出减缓转子绝缘下降快的措施。

1 本厂机组相关设备介绍

本厂机组为悬式机组，机组有推力轴承、上导轴承、下导轴承、水导轴承4道轴承，发电机部分有上风洞、风洞、下风洞的区别，上风洞为上机架向上至推力油槽底部，空间比较狭小，其中集电环就处于上风洞中，集电环上部为推力油槽，下部为上导油槽。集电环的结构示意图如图1所示。

图1 集电环的结构示意图

集电环通过支撑环套在机组大轴上，上下导电滑环通过绝缘套管和绝缘子固定在支撑环上，并与支撑环绝缘；正负极各有21个碳刷，分别分布在正负极的刷架上，刷架通过绝缘套管和绝缘子固定在支撑杆上，并与支撑杆绝缘；支撑杆固定在上风洞顶部，正负极转子引线头分别固定在上下导电滑环上。

2 存在的问题

转子绝缘下降的原因有很多种，而碳粉油泥引起的绝缘下降最为常见，且具有反复性。油泥碳粉往往堆积在集电环上，附着在绝缘部位引起绝缘降低，油泥碳粉长时间的堆积甚至还会渗入到绝缘材料中，破坏绝缘材料并造成绝缘降低。同理，碳刷刷架支撑杆上的绝缘也会受到碳粉油泥的影响而使转子绝缘降低。为此有的电厂甚至不得不每月停机一次去处理集电环上的油污和碳粉，本厂也有碳粉油泥引起转子绝缘下降快的问题，并为此多次分析原因寻找处理的方法。

3 引起集电环油泥碳粉积聚的原因

集电环上油泥、碳粉的积聚是由多方面原因形成的：

(1) 造成碳粉多的原因：碳刷材质软；卡簧弹力过大：集电环接触面不光滑；集电环为椭圆或圆心不在旋转中心上。

(2) 油雾污染集电环的原因：集电环所处的位置附近有油槽，且环境较封闭、空气流通不畅、温度高，油槽密封性不好、渗油等多种原因叠加，导致油雾与碳粉混合更容易附着在集电环上，加速转子绝缘的下降。

4 集电环脏污引起转子绝缘降低的原理

集电环安装在机组大轴上，通过绝缘子将集电环的导电滑环与大轴隔离开来，机组在旋转过程中，由于离心力作用，碳粉会附着在集电环和绝缘子靠近大轴的内侧，并且转子线圈正负极的引线头表面和刷架支撑杆绝缘子也极易积聚碳粉和油污，再加上油雾的影响使得碳粉更加容易附着，当碳粉在绝缘子和引线头表面上积聚较多时，使得集电环导电部分与大轴、上机架之间的泄漏电流增加，转子绝缘下降。而当碳刷磨损严重碳粉较多、油雾较大时，碳粉积聚就会加快，转子绝缘就会加速降低。为了不发生事故，当转子绝缘下降到一定值时就必须停机清理碳粉，如果不解决上述问题，势必会给机组的正常发电运行带来影响。

5 碳粉油泥引起转子绝缘降低带来的危害

(1) 碳粉油泥引起转子接地故障或保护跳机。当转子绝缘降低到一定值时，可能会引起发电机转子回路一点接地，出现一点接地后，由于故障点此时无接地电流通过，对发电机不造成直接威胁，可继续运行，当转子绝缘电阻继续下降时，可能触发保护动作而停机。并且转子一点接地后，励磁回路对地电压升高，更容易引发第二点接地，则会将转子部分绕组短接，引起转子磁场不对称，造成机组剧烈振动，同时由于部分绕组被短接，励磁绕组电流相应增加，转子亦可能因过热而损伤，造成机组非计划停机并带来经济损失。

(2) 碳粉油泥引起集电环环火事故。碳粉油泥在引起转子绝缘降低的同时，当较多的油泥和碳粉在刷握和碳刷的间隙周围积聚时，可能会造成个别碳刷在刷握内卡涩，使得碳刷与集电环之间接触不良，有可能形成打火现象，而打火现象会使得集电环与碳刷的接触面烧蚀而变得不光滑，当集电环表面被火花侵蚀后，使得集电环与其他碳刷的接触电阻也增大，碳刷磨损更加严重，碳刷因接触电阻增大而发热严重，集电环高温区域扩大，碳刷更易碎裂或膨胀卡涩，导致打火碳刷增多火花增大；同时，碳刷打火和电弧的高温会造成碳刷的氧化，使得接触情况不断恶化，最终形成环火现象，造成刷架烧毁，集电环接触面烧蚀，甚至使绝缘材料碳化短路，机组被迫解列。环火事故不仅带来巨大的设备损坏，需要较长时间花费资金来检修恢复设备，而且耽误了机组正常的发电，带来双重的经济损失。

6 整改措施

(1) 在大修期间用压缩空气吹扫集电环及碳刷装置，最好拆卸清理，用干净白布清扫集电环、刷架、刷握及碳刷，做到清洁无油污，以防碳粉滞留在间隙里。

(2) 检查集电环表面应光洁无麻点和凹痕，若不光滑，可拆除集电环进行接触面车圆；若有麻点和凹痕，当凹痕深度大于0.5 mm时，应进行研磨处理。

(3) 向后调整刷握在刷架上的位置，用弹簧测力计检测卡簧弹力，使卡簧弹力不得超过1.5 kg，这样一定程度上减少了碳粉的形成。

(4) 在集电环的绝缘子上、紧挨集电环的大轴及集电环的支撑环上、转子正负极引线头上、刷架支撑杆和绝缘子上涂一层绝缘清漆，拉长集电环导电部分与接地大轴之间的爬电距离，有效减缓转子绝缘的下降。

(5) 在集电环的绝缘子和刷架支撑杆绝缘子上平滑地缠绕防水胶带，并在刷架支撑杆上缠绕绝缘热缩带，便于以后清理碳粉，也可防止碳粉侵入绝缘子内部降低绝缘。

(6) 在集电环上侧的推力油槽加装吸油雾装置，减少油雾外漏到集电环处，将集电环下侧的上导油槽端盖严实密封，减少油雾外溢和杜绝渗油现象发生。

(7) 在每年的检修期测量碳刷的长度，计算磨损量，一般1年不超过20 mm(此值为本厂机组经验值，其他机组不同，一般碳刷的磨损速度在2～6 mm/1 000 h)，如果1年的磨损量超过20 mm，则要分析是不是由于碳刷材质过软造成的，必要时应更换材质稍硬的碳刷。

7 处理后带来的效益

本厂1号机组大修期间经过上述措施处理后，机组集电环碳粉清理工作由原来的每季度1次变为每年1次，大大减少了日常工作量，并提高了机组的安全性和稳定性，降低了机组非计划停机以及可能导致转子两点接地造成设备损坏的风险，虽然由碳粉引起的转子绝缘降低的问题困扰着许多电厂，但是通过多种措施多方面的处理，是可以有效预防转子绝缘快速降低的。此次的处理方法，具有参考应用价值，为有此类问题的发电机组以及大型电机提供了多种渠道的解决方案。

[1]张春，李晓林.水电站微机发电机转子接地保护装置的原理与设计[J].应用能源技术，2004(6)

[2]陈仓，曹浩军.发电机集电环环火事故分析及预防[J].热力发电，2009(10)

2014-10-30

邓惠君(1982—)，男，湖南人，助理工程师，研究方向：水力发电厂设备运行、检修。