摘要：本文主要介绍风冷式发电机转子绝缘为零的原因分析与处理方法，重点介绍了转子绝缘电阻降低的主要原因，并从发电机转子结构设计、绝缘材料、安装工艺等不合理因素造成发生非金属性接地情况，以及对后期改进措施和保养方法进行了探讨。
关键词：转子对地绝缘；设计结构；原因分析；绝缘材料；改进措施；保养
1 电站概况
彰屯电站位于松溪县郑墩镇张屯村附近的松溪河段上，电站装机容量为4×800kw，安装4台SFW800-6/1180低压卧式发电机组，电站设计水头4.80米，于2005年底投产发电。
2 机组主要参数
2.1 水轮机主要参数：
水轮机形式：贯流轴升式
水轮机型号：GD008-WZ-200
桨叶个数：3个
额定水头：4.8m
最大水头：5.8m
最小水头：4.2m
2.2 发电机主要参数：
发电机型号：SFW800-8/1180
额定容量：1000 KVA
额定电压：0.4KV
额定电流：1443 A
额定励磁电流：178.5 A
额定励磁电压：61.2 V
额定功率因数：0.8（滞后）
定子绝缘等级：B级
转子绝缘等级：B级
冷却方式：风冷
制造厂家：广东潮州市汇能电机有限公司
3 现场发电机转子对地绝缘为零的故障发现情况
2017年10月27日，松溪县彰屯水电站#3机组大修，在对发电机转子清扫检查后做对地绝缘试验时（用500V摇表测量），发现对地绝缘为0Ω；经过一个晚上烘干后再次测量，转子对地电阻还是为0Ω。检修人员立即对#1、#2、#4机转子测量，发现三台机组的转子对地绝缘电阻都是为0Ω。经咨询南平超顺电机加工厂技术人员，回复是发电机组转子运行后，因碳粉、油雾、粉尘的吸入，经过几年的运行后对地绝缘电阻都比较低。但是经过检修清扫干净，并烘干，转子对地绝缘电阻应该会0.2MΩ以上（技术规范要求低压发电机转子对地绝缘电阻应大于0.5MΩ），就满足要求可以运行。检修人员经过采取清理、吹扫、烘干等多种措施后，4台机组的发电子转子对地绝缘电阻都为0Ω。彰屯电站属于小水电站，技术维护力量薄弱，平时维护只是清扫集电环处的碳粉，并无其他方法深入检查维护。在已往机组小修后绝缘电阻测量，对地绝缘电阻都很低，但会在开机前空转1个多小时后再建压并网发电（励磁电压61.2V）。
4 发电机转子绝缘降低的主要原因
4.1 转子因受潮而造成绝缘电阻降低到允许值以下，如发电机停运时间较长，环境潮湿等原因造成绝缘电阻降低。
4.2 转子因使用年限较长，或运行中因各种原因使转子过热造成线圈绝缘材料老化、劣化。
4.3 滑环下有碳刷粉末或油污堆积，使转子引出线绝缘损坏。
4.4 由于发电机的冷却系统密封不严或因其轴瓦漏油使转子线圈端部积灰、积油污或碳粉，造成绝缘性能降低。这种原因受转子离心力的影响较大。
4.5 由于运行中通风和热膨胀的影响，转子线圈弯头与磁极极身结合处的绝缘保护层老化、断裂甚至脱落，使极身绝缘逐渐剥落，断裂被风吹掉，再加上该处积灰等因素造成。
4.6 转子磁极铁心内部的极身绝缘断裂造成转子绝缘电阻过低或金属性接地。
5 转子绝缘电阻为零的检查和原因分析
在经过用干燥的压缩空气进行吹扫和直流电焊机烘干，以及对转子线圈端部积灰、积油进行处理等措施后，都无法提高发电机转子绝缘。经过分析，认为转子线圈绝缘老化是主要原因，随即对转子进行解体大修，并对端部的绝缘进行重新处理。
对转子解体后发现，转子线圈和磁轭六角面及磁极铁心极靴之间受力并起主要绝缘作用的环氧板（厚0.5cm）已经碳化变黑，转子线圈与铁芯之间起隔离绝缘作用的无纺布积满了碳粉（如图1）。从解体后的实际现象看，转子线圈和铁芯之间，已发生了非金属性接地，是造成转子绝缘电阻降低到0Ω的主要原因。
图1：转子解体后的情况
5.1 发电机转子结构设计不合理
由于该发电机是卧式机组，采用自然风冷（如图2）。可以直观看出，发电机运行后，冷却用的空气是从端盖两侧中心圈吸入的，而集电环就安装固定在距离一侧端盖进风口约20cm的主轴上，且轴瓦离进风口也很近。这样磨损的碳粉及轴瓦产生的油雾，就直接被冷却空气吸入转子内部，停机后，吸入转子内部的碳粉和油雾会很容易因温度降低受潮，并直接粘接在转子内部结构上。进入转子结构内部后碳粉很细和油雾，都是无孔不入（如图3），这样长时间的运行后，就积满在起隔离绝缘作用的环氧板、无纺布上，就会可能产生非金属性接地；且当转子线圈上存在某一个绝缘薄弱环节时，还可能产生爬电现象，电弧的高温作用就造成环氧板碳化、无纺布绝缘性能受损，就更加降低了环氧板、无纺布的绝缘能力，使得转子对地绝缘电阻为0Ω。
图3：发电机转子内部结构容易吸入碳粉的小孔
5.2 使用的绝缘材料和安装工艺不合理
在转子线圈和铁芯之间的绝缘材料使用无纺布，这种材料绝缘性能差，还会吸水受潮，而且在安装时未浸泡绝缘漆。当然，无纺布泡绝缘漆后会变硬，存在安装时容易破裂的问题；而且在安装全部完成后，因为无纺布在线圈层之间，以及在铁芯内部，对转子线圈整体浸泡漆是不太现实的。所以转子线圈和铁芯之间、线圈本身之间的隔离绝缘，都应采用绝缘性能更好，且耐热不吸水、不受潮方面特性好、质量上乘的玻璃丝带或云母板等材料。
5.3 生产运行现场无法让保养维护到位
在以往运行中，也多次发生过转子绝缘降低故障，但平时都是清扫干净，再空转一段时间。实际上，碳粉因受油雾作用，吸附在转子内部结构上，且粘结性强，日常的维护的清扫，对转子内部结构是无法清理干净的。再者，转子是高速旋转运行，离心力较大，在安装工艺和设计结构上都采取了一些防止松动的控制措施，小电站也没有现场拆卸的检修能力。这种检修维护，即使对转子检修抽芯和清扫干净后喷绝缘漆，都只能是表面上的维护，因为碳粉粘留在内部根本就清理不干净，而且在转子线圈及外表面喷绝缘漆，越喷越厚，又不利于散热，会造成线圈内部温度偏高，更加加速绝缘材料老化。生产现场条件造成无法使维护、检查到位，碳粉自然也就越积越多，也就会经常发生转子对地绝缘降低故障。
6 可采取的改进处理措施探讨
6.1 向无刷励磁技术方向技改
发电机转子绝缘降低，是发电行业维护的老大难问题，而且有刷励磁运行时产生的电弧、碳粉、铜沫、污染引起的事故、故障，都会深刻影响到发电机的运行可靠性、安全性、效率处理和使用寿命，增加维护工作量和维护费用。随着近些年电力电子技术和旋转硅整流器的快速发展，无刷励磁运行在小水电站的优势更加明显。但是彰屯电站是卧式发电机，主轴设计以及空间有限，无法对此进行改造成无刷励磁方式。
6.2 对转子进行解体大修，使用绝缘性能好、不吸水受潮等特性较好的材料，用新工艺进行重新组装，提高整体绝缘性能。这种方式相对方便，但不解决根本，对小水电站也存在检修工期长和检修费用大的问题。
6.3 根据现场实际特点采取减少碳粉吸入转子结构内部的措施
根据机组设计的现场运行情况和特点，可以采取一些减少碳粉吸入转子结构内部的措施。如：改变冷风吸入或循环冷却方式、对发电机转子内部结构密闭（大型机组基本上采取这种措施）、对集电环安装位置进行技改使其远离转子冷风吸入口等。
1）改变冷风吸入方式，在集电环和转子之间可以加装一个喇叭口，转子冷却用的冷风从喇叭口外表面的空间吸入。但彰屯电站机组的集电环引入转子线圈的接线不是穿孔走线，而是直接在主轴表面固定，在轴表面有近2cm的凸出高度（如图4）。由于转子和主轴是旋转的，需要保证旋转空间，间隙空间大，产生的空气吸力依然较大，所以本措施需要根据现场单独加工设备对集电环进行隔离，并采取一些软性材料进行隔离，具有一定实际操作的可行性。可受现场风大，固定点小，软性材料容易滑落吸入转子线圈内部。
图4：集电环与转子接线固定在主轴外面
2）改变循环冷却方式：对冷却进风口进行改变，或者加强体外强制送风或抽风。这种措施需要对地基重新开挖一个孔，存在工期较长，投资较大的问题。
3）对发电机转子内部结构密闭，就必须改变发电机冷却方式，同时需要运回厂家加工处理，并使用相对好的绝缘材料。这种方式也是存在施工期长，投资较大的问题。
4）对集电环安装位置进行改造。如果把集电环安装到刹车装置后面，就需要延伸发电机主轴25cm—30cm左右（如图5），但厂房空间有限，不好实施；同时集电环到转子的接线，将经过一个后导瓦座，就必须安装在主轴内部，需要对主轴进行打孔约1米，成本高，也需要运回厂家加工处理。这种方式也是存在施工期长，投资较大的问题。
图5：彰屯电站卧式发电机组，没有空间改变集电环安装位置
6.4 采用无粉或少粉，或者硬度较好且耐磨，综合材料性能较好的碳刷，减轻磨损，减少粉尘。
6.5 加强维护，及时清扫、清理碳粉，保持干净。
这个措施，可以适当采用，但只能把集电环和主轴及挡板面上的碳粉清扫干净，减少运行中把附在表面的碳粉吸入转子内部，有一定效果，但运行过程中产生的碳粉还是会被吸入转子内部，日常无法进行清扫到位。
7 目前比较适合采取的改进处理措施
根据彰屯电站现场情况，我们采取了以下措施：1、在集电环和冷却进风口之间增加一块挡风板，减小集电环处的风速，同时也可以让磨损的碳粉直接掉入地上（如图6）；（因集电环和转子线圈之间的走线凸出在轴面上，还有一定风速，降低了效果）；2、在市面上寻找综合材料性能较好的碳刷；3、加强维护，要求维护巡视人员及时擦去碳粉，保持干净。
（由于转子电阻对地绝缘降低是长期的时间过程，需要较长时间观察才能发现效果如何。）
图6：在集电环和冷却进风口间增加一挡风板，减小集电环表面的风速
论文作者:杨应元,黄凯忞
论文发表刊物:《电力设备》2018年第29期
论文发表时间:2019/3/27
标签：转子论文; 集电环论文; 碳粉论文; 发电机论文; 线圈论文; 电阻论文; 电站论文; 《电力设备》2018年第29期论文;