邱世貴，黃秀娟，梁道興

(中國(guó)水利水電第十六工程局有限公司，福建 福州 350003)

1 概 述

費(fèi)魯水電站位于塞內(nèi)加爾河流經(jīng)非洲馬里共和國(guó)段上，在馬朗塔里水電站下游大約200 km、卡伊市上游15 km左右處，是1座徑流式引水發(fā)電站。水庫(kù)正常蓄水位40.10 m，總裝機(jī)容量3×21 MW，通過(guò)225 kV開(kāi)關(guān)站并入電網(wǎng)向業(yè)主成員國(guó)(馬里、毛利塔尼亞和塞內(nèi)加爾)電力負(fù)荷中心提供電能。電站在運(yùn)行5 a后發(fā)生了集電環(huán)損壞事件。

2 動(dòng)作事件回顧

從事件表中可以看出(見(jiàn)表1)，啟動(dòng)了64R 1p.BV保護(hù)(轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地低值報(bào)警)。因此，電氣故障(轉(zhuǎn)子繞組絕緣下降已經(jīng)達(dá)到低值報(bào)警)表明轉(zhuǎn)子繞組絕緣電阻已經(jīng)相當(dāng)?shù)停吔? Ω的狀態(tài)。

查看1號(hào)發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置64R保護(hù)整定值：高值報(bào)警為20 kΩ，低值報(bào)警為1.8 kΩ。64R保護(hù)整定有2級(jí)報(bào)警，均為報(bào)警發(fā)信至監(jiān)控系統(tǒng)；而根據(jù)“繼電器和自動(dòng)裝置保護(hù)定值清單”，對(duì)于勵(lì)磁，3個(gè)勵(lì)磁保護(hù)按表2設(shè)置(見(jiàn)表2)。

表1 發(fā)電機(jī)動(dòng)作事件記錄

表2 勵(lì)磁變保護(hù)定值

保護(hù)裝置所輸入和輸出的值與保護(hù)計(jì)算書(shū)相符，滿(mǎn)足正常運(yùn)行要求。

3 診斷項(xiàng)目及執(zhí)行的測(cè)試

3.1 CETIM機(jī)構(gòu)對(duì)集電環(huán)的鑒定

熔融的金屬沉積物以及部分或完全融化的零件可以掩蓋其他發(fā)生的故障，如疲勞斷裂或螺栓的剪切。集電環(huán)部分元件送到圣艾蒂安的CETIM實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)。CETIM的結(jié)論如下：

輕微損壞的部件并且外觀(guān)有斷裂痕跡的顯示出表面微觀(guān)部分的氧化和降解狀態(tài)(由電氣事故造成)，從而無(wú)法表現(xiàn)出機(jī)械損傷的特征。在斷裂平面處的顯微檢查沒(méi)有發(fā)現(xiàn)與脫落平面相鄰的螺紋底部的任何二次裂紋，這可能已經(jīng)提供了損壞方式的信息。根據(jù)2013 NF EN ISO 898—1，通過(guò)觀(guān)察4.8～6.8強(qiáng)度等級(jí)相關(guān)結(jié)構(gòu)變化和初始硬度特性未受影響，附加檢查螺栓的化學(xué)成分符合4.8～6.8級(jí)的2013年NF EN ISO 898—1所允許的碳鋼標(biāo)準(zhǔn)。

因此，不是先天的螺栓機(jī)械故障而是熔化，初步排除了機(jī)械勞損故障。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)檢查

ARTELIA、SEMAF、SINOHYDRO三家團(tuán)隊(duì)對(duì)損壞集電環(huán)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢查(見(jiàn)圖1～圖4)。

圖1 老化的銅連接絕緣

圖2 腐化的銅連接

圖3 集電環(huán)1的環(huán)間連接短路

圖4 集電環(huán)2的環(huán)間(腐化)連接短路

故障起始點(diǎn)：完整觀(guān)察集電環(huán)的狀態(tài)可以識(shí)別短路的來(lái)源， 每個(gè)集電環(huán)都清楚地顯示出故障起點(diǎn)是由在連接和環(huán)之間的絕緣性能下降而誘發(fā)的。長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，在集電環(huán)與碳刷架之間積累碳粉，碳粉進(jìn)入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，導(dǎo)致整個(gè)勵(lì)磁回路絕緣下降。碳粉的強(qiáng)烈污染加劇了絕緣破壞。從曲線(xiàn)圖放大可以看出勵(lì)磁電流的變化，對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生了強(qiáng)勵(lì)動(dòng)作(見(jiàn)圖5)。

圖5 監(jiān)控界面的勵(lì)磁系統(tǒng)曲線(xiàn)

3.3 對(duì)集電環(huán)絕緣電阻測(cè)量

對(duì)集電環(huán)絕緣電阻的測(cè)量如下所示(見(jiàn)表3)。

表3 集電環(huán)絕緣電阻值

3.4 對(duì)轉(zhuǎn)子絕緣電阻及直流電阻測(cè)量

斷開(kāi)勵(lì)磁集電環(huán)轉(zhuǎn)子引線(xiàn)，不需要任何拆卸的情況下進(jìn)行轉(zhuǎn)子的電阻和絕緣測(cè)量(見(jiàn)表4)。

表4 轉(zhuǎn)子絕緣檢查

轉(zhuǎn)子直流電阻為0.23 Ω，與機(jī)組安裝測(cè)試數(shù)據(jù)基本一致。絕緣測(cè)量采用絕緣測(cè)試儀15871400 FC，直流電阻測(cè)量采用HIOKI RM3548測(cè)試儀。

3.5 檢查勵(lì)磁系統(tǒng)組件(晶閘管和二極管)

對(duì)每個(gè)功率柜的元件進(jìn)行詳細(xì)檢查，組件狀況良好。

3.6 檢查碳粉塵除塵器的運(yùn)行

碳粉吸塵裝置管道狀況不佳，必須重新調(diào)整該系統(tǒng)。觀(guān)察到運(yùn)行后的過(guò)濾器比較干凈，但碳粉吸塵器效果不明顯，可以解釋在轉(zhuǎn)子內(nèi)部發(fā)現(xiàn)稍微擴(kuò)散的粉塵的原因。

3.7 發(fā)電機(jī)保護(hù)定值檢查

在發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置中，涉及的轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)64R定值是符合運(yùn)行的(見(jiàn)圖6)，但在發(fā)電機(jī)保護(hù)的歷史記錄中，多次出現(xiàn)64R保護(hù)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地低值報(bào)警動(dòng)作。

圖6 64R保護(hù)定值清單

3.8 機(jī)組集電環(huán)盤(pán)車(chē)檢查

測(cè)圓架的磁性基底固定在定子的上部面上，測(cè)圓架觸及到集電環(huán)的上環(huán)。起動(dòng)壓力泵，操作人員旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子，結(jié)果如下所示(見(jiàn)表5)。

表5 集電環(huán)盤(pán)車(chē)數(shù)據(jù)

從表中得出最大誤差符合0.25 mm，與安裝投產(chǎn)時(shí)基本一致，符合規(guī)范。

4 診斷分析及結(jié)果

(1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)及資料所有檢查，得出診斷結(jié)果：根據(jù)轉(zhuǎn)子及集電環(huán)絕緣電阻檢查，轉(zhuǎn)子絕緣初始值原本平均是200 MΩ；在集電環(huán)檢修后， 2017年測(cè)量值0.5 MΩ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于初始值?？梢源_認(rèn)是由幾年來(lái)碳粉和油蒸汽的積聚加劇了潛在的絕緣故障，引起絕緣急劇下降。

(2)集電環(huán)絕緣體上粉塵和油蒸氣會(huì)極大地降低集電環(huán)的絕緣環(huán)和絕緣墊。

(3)在出現(xiàn)各種轉(zhuǎn)子對(duì)地警報(bào)的過(guò)程中，運(yùn)行操作人員啟動(dòng)了吸塵器，表明運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的碳粉引起轉(zhuǎn)子整體絕緣下降。在每次64R保護(hù)出現(xiàn)時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)啟動(dòng)強(qiáng)勵(lì)運(yùn)行(不超過(guò)10 s)，通過(guò)勵(lì)磁回路—集電環(huán)—轉(zhuǎn)子，導(dǎo)致銅導(dǎo)體過(guò)熱。SCADA系統(tǒng)收到信號(hào)，“勵(lì)磁限制報(bào)警”顯示勵(lì)磁電流已達(dá)到最高。無(wú)功功率的不平衡曲線(xiàn)也可證明強(qiáng)勵(lì)啟動(dòng)?；蛘哒f(shuō)，在這些事件發(fā)生時(shí)，時(shí)而來(lái)自勵(lì)磁系統(tǒng)的強(qiáng)勵(lì)，時(shí)而來(lái)自電網(wǎng)的強(qiáng)電流就已通過(guò)勵(lì)磁回路—轉(zhuǎn)子。這種勵(lì)磁系統(tǒng)與轉(zhuǎn)子電流失去平衡的發(fā)生是由于被污染轉(zhuǎn)子或者集電環(huán)加劇的絕緣故障所致。因此，這些連續(xù)的過(guò)熱導(dǎo)致銅導(dǎo)體的絕緣件退化。銅連接絕緣減弱導(dǎo)致銅導(dǎo)體和集電環(huán)之間的直接短路,導(dǎo)致機(jī)電環(huán)與刷架螺桿的斷裂和熔融事故，以及其他部件損壞。

(4)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)對(duì)地保護(hù)(64R)定值動(dòng)作機(jī)組未跳閘，使得故障迅速升級(jí)并損壞集電環(huán)。

(5)考慮到特定的設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)，(64R保護(hù))轉(zhuǎn)子接地故障具有高值、低值兩級(jí)保護(hù)。包括轉(zhuǎn)子繞組和非旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁設(shè)備在內(nèi)的電感繞組始終與轉(zhuǎn)子的金屬部分隔開(kāi)。如果轉(zhuǎn)子由空氣冷化，則絕緣電阻很高。電感回路絕緣故障會(huì)導(dǎo)致從電感繞組到大地的導(dǎo)電路徑，這意味著出現(xiàn)接地故障。通常，同步交流發(fā)電機(jī)的電感回路不接地，這就是轉(zhuǎn)子繞組接地故障僅產(chǎn)生很小的故障電流(高值階段)的原因。因此，轉(zhuǎn)子高值接地故障不會(huì)損壞發(fā)電機(jī)，也不會(huì)以任何方式影響運(yùn)行。

5 建 議

(1)修改發(fā)電機(jī)保護(hù)中的64R保護(hù)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地低值保護(hù)，出口報(bào)警動(dòng)作改為跳閘發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)并事故停機(jī)。

(2)加強(qiáng)對(duì)2、3號(hào)機(jī)組的“轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地”報(bào)警信號(hào)的監(jiān)測(cè)，從高值出現(xiàn)開(kāi)始。

(3)分析每次報(bào)警信號(hào)的真實(shí)性來(lái)源。

(4)盡早檢查報(bào)警信號(hào)發(fā)生后的轉(zhuǎn)子及其附件絕緣電阻檢查。

(5)在監(jiān)控系統(tǒng)A界面上，把“轉(zhuǎn)子絕緣故障”一詞顯示為紅色。

(6)將碳粉除塵裝置系統(tǒng)重新投入運(yùn)行，并確保過(guò)濾器的清潔可及時(shí)清理絕緣件表面，保證絕緣性能。

(7)運(yùn)行規(guī)程重新定義發(fā)電機(jī)(定子、轉(zhuǎn)子)的絕緣監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)控制絕緣發(fā)展趨勢(shì)。

(8)重新校驗(yàn)發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置的動(dòng)作可靠性。

(9)為了使機(jī)組盡快恢復(fù)電網(wǎng)運(yùn)行，一致建議組建1個(gè)中水電—SEMAF小團(tuán)隊(duì)，對(duì)1號(hào)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行A修，來(lái)進(jìn)行拆解或重新組裝工作。

(10)采購(gòu)優(yōu)質(zhì)電刷，以保證與集電環(huán)良好配合。電刷裝配前充分研磨處理(適形磨弧)，研磨時(shí)避免硬物顆粒遺留在電刷表面，尤其注意砂紙殘留物。電刷裝配前認(rèn)真清理集電環(huán)、電刷表面，確保集電環(huán)及碳刷表面清潔無(wú)油污、無(wú)異物。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)ARTELIA及SINOHYDRO對(duì)馬里費(fèi)魯水電站1號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)子及集電環(huán)故障的分析，結(jié)合相關(guān)技術(shù)資料進(jìn)行比對(duì)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的測(cè)量，得出建議意見(jiàn)及應(yīng)盡快進(jìn)行1號(hào)機(jī)組的A修工作，對(duì)日后類(lèi)似機(jī)型的運(yùn)行維護(hù)具有借鑒意義。