溫 江

(四川華能康定水電有限責(zé)任公司，四川 康定 626003)

1 概 述

小天都水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)，是瓦斯河干流梯級開發(fā)的第二級，為低閘高水頭引水式電站。電站裝設(shè)3臺單機容量為80 MW的混流式水輪發(fā) 電 機 組，水 頭 范 圍 為

351.5～392.9 m，總裝機容量240 MW。其中1F機組發(fā)電機型號為SF80-14/5100，為東方電氣有限責(zé)任公司產(chǎn)品；2F、3F機組發(fā)電機型號為SF-J80─14/4864，為通用電氣亞洲水電設(shè)備有限公司產(chǎn)品，2006年8月3臺機組全部投產(chǎn)發(fā)電，但是，1F機組自投產(chǎn)后存在不同程度的轉(zhuǎn)子絕緣下降問題，嚴(yán)重時20 d左右就需要停機處理，清掃集電環(huán)，降低汛期發(fā)電量，給公司帶來了較大損失。筆者介紹了對機組轉(zhuǎn)子絕緣降低的故障原因進(jìn)行分析、技術(shù)改造過程及實施效果等，供參考。

2 機組故障原因分析

小天都水電站1F機組為立軸懸式，推力軸承及上導(dǎo)軸承位于機組上機架上且處于同一油盆中。推力軸承位于上導(dǎo)軸承上端，上導(dǎo)軸承通過瓦架固定于上機架上。1F機組在瓦架上端安裝有油氣密封蓋，在油氣密封蓋上端安裝有積塵盒，集電環(huán)位于積塵盒上端。在運行過程中發(fā)現(xiàn)機組轉(zhuǎn)子對地絕緣下降速度較快，在運行一段時間后轉(zhuǎn)子對地絕緣下降為0.3 kΩ，在對機組使用帶電清洗劑進(jìn)行帶電沖洗后，絕緣提高到30 kΩ左右，但絕緣僅能維持兩天又降低到報警值。停機對集電環(huán)進(jìn)行清洗需要4 h，絕緣能提高到200 MΩ，絕緣維持25 d左右又降低到報警值，頻繁的轉(zhuǎn)子絕緣處理給生產(chǎn)帶來了極大的不便。現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)機罩內(nèi)油污嚴(yán)重，個別碳刷存在跳火現(xiàn)象，局部溫度較高，在機組因轉(zhuǎn)子絕緣下降停機檢查和處理中發(fā)現(xiàn)集電環(huán)上油污和碳粉較多，初步斷定小天都1F機組絕緣下降是由碳粉堆積造成的，因為干燥的碳粉是不會形成堆積，并且干燥的碳粉也易清理，所以碳粉堆積必定是由碳粉與油混合形成“碳泥”狀固體造成的(注：以下均稱“碳泥”)，并且“碳泥”粘接在集電環(huán)上，增加了碳刷的磨損，從而形成了惡性循環(huán)。

筆者主要從機罩內(nèi)油霧、集電環(huán)光潔度、碳刷配方及工藝制造、機組擺度等幾個方面分析了產(chǎn)生碳粉堆積的具體原因。

2.1 機罩內(nèi)的油霧情況

小天都水電站1F機組出廠時在上導(dǎo)密封蓋處設(shè)計有兩個油霧過濾呼吸器，兩個風(fēng)機(其中一個風(fēng)機用來向內(nèi)吹氣，另一個用來向外排氣，兩臺風(fēng)機配合運行以提高油霧的回收效率)。在實際工作中發(fā)現(xiàn)風(fēng)機并未達(dá)到設(shè)計效果，并且安裝位置影響機組檢修，故在大修中將風(fēng)機拆除，并在風(fēng)機接口處重新加裝了兩個油霧過濾呼吸器。在2009年汛前大修中因為電纜布置不方便，又將左側(cè)呼吸器改為電纜孔。當(dāng)機組運行時，上導(dǎo)推力軸承油盆中透平油不斷攪動和溫度上升,造成透平油的揮發(fā)形成油霧，油霧被風(fēng)洞的風(fēng)帶過呼吸口進(jìn)入過濾呼吸器，由于油霧過濾呼吸器過濾效果欠佳且正好位于集電環(huán)下方,從而使油霧在機罩內(nèi)部冷凝與碳粉一起形成“碳泥”，所以油霧是造成小天都水電站1F轉(zhuǎn)子絕緣下降的主要因素之一。

2.2 集電環(huán)的光潔度

小天都水電站1F機組集電環(huán)上、下滑環(huán)與碳刷接觸的表面在設(shè)計上分別存在兩道右螺旋型的通風(fēng)溝槽，如圖1所示，溝槽運轉(zhuǎn)過程中猶如兩道鋒利的刀刃，在高速旋轉(zhuǎn)過程中對碳刷形成了向上的切削力；而碳刷與集電環(huán)滑環(huán)接觸，高速轉(zhuǎn)動的集電環(huán)對碳刷又形成滑動摩擦，在這兩個力的作用下導(dǎo)致碳刷磨損過快、過大而形成大量碳粉。機組運行時旋轉(zhuǎn)的集電環(huán)與碳刷研磨出的碳粉較細(xì)，容易附著和覆蓋絕緣部分而成為導(dǎo)電介質(zhì)。

圖1 集電環(huán)結(jié)構(gòu)圖

2.3 碳刷的配方及工藝制造

碳刷配方及工藝制造的不同，是發(fā)電機集電環(huán)與碳刷滑動接觸產(chǎn)生碳粉的根本來源。雖然D104碳刷與D172碳刷均屬于電化石墨碳刷，但是，由于配方及工藝制造的原因，D104碳刷的硬度、摩擦系數(shù)、電阻系數(shù)等性能在所有碳刷中均屬于比較普通的一類。由于碳刷硬度較差、摩擦系數(shù)大，造成碳刷磨損快、產(chǎn)生的碳粉多，碳粉堆積更容易，極易形成“碳泥”。所以，碳刷配方及工藝制造是造成小天都水電站1F機組轉(zhuǎn)子絕緣下降的主要因素之一。

2.4 機組的擺度及振動

正常情況下，機組的擺度也是造成碳刷磨損加快的因素之一。小天都水電站1F機組相對于2 F、3 F而言偏大，但仍在規(guī)定范圍內(nèi)，所以機組擺度、振動只是造成小天都水電站1F機組轉(zhuǎn)子絕緣下降的次要因素。

綜上所述，造成小天都水電站1F機組轉(zhuǎn)子絕緣下降的主要原因是油霧處理不當(dāng)，進(jìn)入機罩并且在機罩內(nèi)冷凝累積形成油滴，油滴與碳粉結(jié)合形成“碳泥”，“碳泥”附著在集電環(huán)與絕緣卡套上造成轉(zhuǎn)子一點接地進(jìn)而影響絕緣。碳刷硬度較差及集電環(huán)設(shè)計的不足加快了碳刷磨損速度，從而加快了轉(zhuǎn)子絕緣下降的速度，最終造成了小天都水電站1F機組絕緣下降快、處理頻率高的結(jié)果。

3 機組處理方案

要徹底解決轉(zhuǎn)子絕緣下降問題，需要首先解決油霧問題與碳粉問題。油霧是造成碳粉堆積的主要原因，而碳粉是造成轉(zhuǎn)子單點接地的導(dǎo)電介質(zhì)。通過電廠技術(shù)人員仔細(xì)分析研究，決定采用以下幾種方法綜合處理小天都水電站1F機組絕緣下降問題。

3.1 處理集電環(huán)

由于集電環(huán)上、下滑環(huán)與碳刷接觸的表面上設(shè)計的兩道右螺旋型的通風(fēng)溝槽加快了碳刷的磨損速度，通過對比小天都水電站2 F、3 F機組集電環(huán)(通用電氣亞洲水電設(shè)備有限公司生產(chǎn)，集電環(huán)上無通風(fēng)溝槽)后，決定對1F機組集電環(huán)溝槽采取補焊打磨處理的方式進(jìn)行填平。由于補焊打磨處理后集電環(huán)存在金屬材質(zhì)不同、表面光潔度不足等一系列缺點，在機組試運行期間，碳刷存在打火現(xiàn)象，最終決定重新加工集電環(huán)。新加工的集電環(huán)不再保留通風(fēng)溝槽，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 集電環(huán)改造前與改造后對比圖

重新加工更換集電環(huán)后打火現(xiàn)象消失，碳刷溫度維持在50℃左右，碳刷磨損速度明顯下降。

3.2 重新選擇碳刷型號

碳刷選型涉及集電環(huán)尺寸、集電環(huán)材質(zhì)、機組轉(zhuǎn)速、勵磁電流大小、機組擺度、碳刷數(shù)量等一系列因素。碳刷材質(zhì)過硬會磨損集電環(huán)，增加機組噪音，材質(zhì)過軟會加快碳刷磨損速度，造成碳粉堆積。所以，碳刷選型需要重新聯(lián)系廠家,尋找有經(jīng)驗的廠家按照我們的實際要求重新選擇合適的碳刷。通過咨詢碳刷生產(chǎn)廠家，并根據(jù)小天都水電站1F機組實際運行情況及相關(guān)設(shè)備參數(shù)，重新將碳刷型號選定為D172。D172碳刷與D104碳刷相比最明顯的區(qū)別就是潤滑度、導(dǎo)電能力、允許線速度等綜合指標(biāo)均強于D104碳刷。在安裝上D172碳刷后使用紅外測溫儀對碳刷溫度進(jìn)行了較長時間觀察，碳刷溫度維持在55℃左右，最高溫度為58℃，無打火現(xiàn)象發(fā)生。事實證明D172更加適合小天都水電站1F機組實際情況。

通過改造集電環(huán)、重新選擇碳刷型號后，碳刷磨損速度明顯下降，碳刷更換周期從42 d變?yōu)?00多d，碳粉問題得到了解決。

3.3 增加油霧過濾呼吸器，改變呼吸口位置

小天都水電站1F機組油霧過濾呼吸器布置如圖3所示。

圖3 油霧過濾呼吸器布置圖

從油霧過濾呼吸器布置上可以看出，其具有以下幾個缺點：

(1) 過濾呼吸器呼吸口正好位于集電環(huán)下端，油霧上升易在集電環(huán)上冷凝。

(2) 油霧過濾呼吸器濾芯過小，過濾效果不好。

(3) 排氣孔孔徑太小，油霧排出效果差。

(4) 排氣孔數(shù)量太少，部分區(qū)域油霧不易排出。

針對油霧問題，需要在密封蓋上新開兩個排氣孔，并將以前舊的油霧過濾呼吸器拆除，制作一根排氣管連接排氣孔，排氣管出口靠近觀察窗并在排氣口處加裝油霧過濾呼吸器，油霧過濾呼吸器改造布置情況見圖4。

油霧過濾呼吸器改造后的主要優(yōu)點如下：

(1) 油霧過濾呼吸器呼吸口從集電環(huán)下端改到機罩觀察窗前，可以避免油霧上升在集電環(huán)處冷凝形成油滴，并且呼吸口位于觀察窗前，空氣對流相對較快，油霧不易在機罩內(nèi)冷凝。

圖4 油霧過濾呼吸器改造布置圖

(2) 在氣封蓋上新開排氣孔，增加了油霧排出通道，利于油霧的排出。

(3) 加大了油霧過濾呼吸器濾芯，使油霧過濾效果更好。

3.4 包裹轉(zhuǎn)子引線

小天都水電站1F機組轉(zhuǎn)子引線布置在主軸上，與掉落的碳粉極易形成單點接地而造成機組絕緣下降。通過觀察分析發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)子引線處存在包裹不嚴(yán)密、包裹材料不對及層數(shù)不夠等問題，故決定重新處理轉(zhuǎn)子引線。對轉(zhuǎn)子引線首先使用玻璃絲帶纏繞加環(huán)氧樹脂粘接的方法包裹3層，再使用云母帶加環(huán)氧樹脂粘接的方法包裹3層，包裹過程中不能出現(xiàn)縫隙。注意控制環(huán)氧樹脂的使用量，過多不易干燥，過少粘接不牢固。

4 結(jié) 語

結(jié)合機組大小修，2012年陸續(xù)完成了小天都水電站1F機組的技術(shù)改造工作。經(jīng)采取上述綜合治理措施后，小天都水電站1F機組的轉(zhuǎn)子絕緣降低問題得到了很好地解決，轉(zhuǎn)子絕緣處理時間從25 d上升到200 d左右，使得機組可以長周期安全穩(wěn)定運行。筆者羅列并分析了小天都水電站1F機組轉(zhuǎn)子絕緣降低的原因和處理方法，取得了良好的效果，對同類水輪發(fā)電機組有一定的借鑒作用。