朱跃亮

（浙能华光潭水力发电有限公司，浙江 临安 311322）

华光潭梯级水电站地处浙江省临安龙岗镇，位于分水江干流昌化江上游的巨溪上，电站总装机容量85 MW，其中一级电站装机2×30 MW，二级电站装机2×12.5 MW。

华光潭一级电站水轮发电机型号为SF30-12/3520，发电机采用具有上下两个导轴承的立轴悬式机构，推力轴承置于上导轴承的油槽内。励磁方式为自并激静止可控励磁，额定励磁电流680 A，电刷数量9对，发电机额定转速500 r/min。

水电站自2004年5月投产发电以来，多次发生发电机励磁回路转子一点接地故障，严重影响了机组安全稳定运行，增加了机组强迫停运次数，加大了设备的检修维护强度。通过对机组的结构和故障现象的分析，查找故障产生的原因，采取相应的处理措施以后，有效地控制了故障的发生。

1 励磁回路接地故障主要原因

1.1 励磁系统交直流回路绝缘破坏

如某日3号机发生 “转子一点接地故障”，检查发现是集电环到转子线圈穿过转子大轴中心的励磁橡皮电缆在弯头处破损，线芯接触大轴产生接地，接地点如图1所示。这类接地故障现象初期表现为发电机偶尔发生瞬时接地，停机后绝缘正常。随着励磁橡皮电缆破损程度增加，可转为永久接地。

又如某日励磁系统投运时，3号机发生“转子一点接地故障”，检查发现是励磁变低压侧到功率柜的B相引线电缆破损接地引起的，表现为机组励磁建压后有转子接地故障信号，但停机时检查不出转子回路绝缘问题。

1.2 碳粉污染滑环部位

接地故障的原因是由于碳粉在发电机励磁回路的集电环和集电环支架间的隔离绝缘圈上堆积形成接地通道，经大轴接地电刷接地。发电机转子碳粉堆积位置如图2所示。此类故障易重复发生，以下分别从1号发电机的罩壳内部油雾情况、集电环光洁度、电刷材质、机组摆度、电刷数量等方面重点分析产生碳粉堆积的原因。

图1 转子励磁引线布置图

图2 发电机转子碳粉堆积位置

2 碳粉污染源分析

2.1 推力油槽油雾的影响

以1号发电机为例，和A级检修前相比电刷硬度较低，连续运行的时间较短，电刷数量没有改变，却连续2次出现转子一点接地故障。就现场情况看，下集电环光洁度明显比上集电环光洁度差，碳粉堆积也明显比上集电环多，并且呈油腻结块状。一方面由于A级检修后推力油槽油位较高，和平时相比推力油槽油位高出5 cm。另一方面由于发电机推力油槽盖板和转动的发电机大轴间隙采用羊毛毡隔离。这增加了从固定的推力油槽盖板和转动的发电机大轴间隙排出的油雾和从推力油槽呼吸孔排出的油雾，油雾与碳粉结合容易在隔离绝缘圈上堆积附着。

2.2 集电环光洁度的影响

1号机A级检修累计发电472 h后，出现转子一点接地故障。经检查，下集电环表面发暗，并有明显的划痕，引起这一现象的主要原因，应是下集电环更接近发电机推力油槽，带油雾的碳粉粘结在集电环上，增大环火，导致集电环表面温度升高，电刷磨损加剧，隔离绝缘圈碳粉积聚速度增加。

2.3 电刷材质和数量的影响

电刷的材质包括洛氏硬度、电阻系数、摩擦系数等。华光潭梯级电站电刷的主要技术指标见表1。电刷和集电环之间，电刷材质硬了，集电环磨损严重；电刷材质软了，电刷磨损厉害，碳粉多。需要电刷和集电环之间不断选型磨合[1]。1号发电机自2005年10月投产发电以来，由于集电环磨损较严重，于2009年5月27日更换了电刷的型号，更换后累计发电运行时间1 109 h，转子绝缘情况正常。

表1 华光潭梯级电站S27和D172电刷的主要技术指标

更换前电刷型号为乐清某电碳厂 D172 T6，更换后碳刷型号为上海某电碳厂S27-T6。1号机设计电刷共9对，按额定电流密度（10 A/cm2）计算，每只电刷额定通流80 A，发电机的额定励磁电流为680 A，而实际运行时发电机的励磁电流约500 A左右，电刷数量已能满足要求。

2.4 机组摆度的影响

正常情况下，机组摆度也是电刷磨损增加的原因之一。更换1号机电刷后测试机组摆度数据：机组空载时，推力头摆度0.20 mm；机组负载P＝29.85 MW，Q＝3.10 Mvar时，推力头摆度0.20 mm；运行1年后机组负载P＝29.84 MW，Q＝3.96 Mvar时，推力摆度0.25 mm。前后数据变化不大，机组摆度应不是电刷磨损的主要原因。

综上所述，华光潭1号发电机多次发生励磁回路接地故障，罩壳内部油雾增多和集电环表面划痕造成电刷磨损加剧，碳粉在隔离绝缘圈堆积速度加快是主要原因。

3 防止接地故障的方法

直流回路瞬时接地的故障点比较隐蔽，不易查找。发电机转子一点接地短时间仍可运行，但如果处理不及时，一旦发生两点接地，对转子危害就很大[2]。初期判断接地时，可用直流电焊机，手动加励磁电流，从而判断接地点是在灭磁开关回路前还是后，即励磁调节器控制回路接地还是转子本身或回路接地。处理电缆磨损接地故障，可根据大轴开口尺寸，对破损橡皮电缆用玻璃丝带层层包扎，层与层之间涂上环氧树脂，增加电缆的绝缘，防止电缆磨破。同时要确保电缆在转子大轴上下孔洞内部不要晃动。

对因碳粉污染形成的重复接地故障，处理相对麻烦。为减少罩壳内部油雾和电刷的磨损，可采取以下处理办法：

（1）在停机过程中机组转速下降到50%额定转速时，在下集电环刷握两端用金相砂皮紧贴集电环利用机组剩余速度打磨下集电环（如图3所示），每次打磨时间为2.5 min。消除集电环上的毛刺，提高集电环的光洁度。

（2）尽可能降低推力油槽油位，临时用软皮管把推力油槽呼吸孔接到发电机罩壳外部，减少罩壳内部油雾。

（3）定时在风洞内对换1号机转子的励磁正负极引线，减少电刷在励磁电流作用下的电气磨损和机械磨损。

（4）加强设备维护，增加转子回路清扫频率。

图3 打磨集电环

4 结语

华光潭梯级水电站投运以来多次发生发电机励磁回路接地故障，分析认为碳刷磨损的碳粉污染是主要原因，除了文中提出的处理措施外，把固定在推力油槽盖板和转动的发电机大轴迷宫间隙的羊毛毡密封改为新型材料的硬接触式油档，也能进一步减少罩壳内油雾，有效减少碳粉污染造成的绝缘故障，从而彻底解决发电机励磁回路绝缘下降的问题。

[1]李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用[M].北京∶中国电力出版社，2002.

[2]王维俭.电气主设备继电保护原理与应用[M].北京∶中国电力出版社，1996.