费鲁电站1号发电机转子及集电环故障的分析

邱世贵，黄秀娟，梁道兴

(中国水利水电第十六工程局有限公司，福建 福州 350003)

1 概 述

费鲁水电站位于塞内加尔河流经非洲马里共和国段上，在马朗塔里水电站下游大约200 km、卡伊市上游15 km左右处，是1座径流式引水发电站。水库正常蓄水位40.10 m，总装机容量3×21 MW，通过225 kV开关站并入电网向业主成员国(马里、毛利塔尼亚和塞内加尔)电力负荷中心提供电能。电站在运行5 a后发生了集电环损坏事件。

2 动作事件回顾

从事件表中可以看出(见表1)，启动了64R 1p.BV保护(转子一点接地低值报警)。因此，电气故障(转子绕组绝缘下降已经达到低值报警)表明转子绕组绝缘电阻已经相当低，趋近于0 Ω的状态。

查看1号发电机保护装置64R保护整定值：高值报警为20 kΩ，低值报警为1.8 kΩ。64R保护整定有2级报警，均为报警发信至监控系统；而根据“继电器和自动装置保护定值清单”，对于励磁，3个励磁保护按表2设置(见表2)。

表1 发电机动作事件记录

表2 励磁变保护定值

保护装置所输入和输出的值与保护计算书相符，满足正常运行要求。

3 诊断项目及执行的测试

3.1 CETIM机构对集电环的鉴定

熔融的金属沉积物以及部分或完全融化的零件可以掩盖其他发生的故障，如疲劳断裂或螺栓的剪切。集电环部分元件送到圣艾蒂安的CETIM实验室进行检测。CETIM的结论如下：

轻微损坏的部件并且外观有断裂痕迹的显示出表面微观部分的氧化和降解状态(由电气事故造成)，从而无法表现出机械损伤的特征。在断裂平面处的显微检查没有发现与脱落平面相邻的螺纹底部的任何二次裂纹，这可能已经提供了损坏方式的信息。根据2013 NF EN ISO 898—1，通过观察4.8～6.8强度等级相关结构变化和初始硬度特性未受影响，附加检查螺栓的化学成分符合4.8～6.8级的2013年NF EN ISO 898—1所允许的碳钢标准。

因此，不是先天的螺栓机械故障而是熔化，初步排除了机械劳损故障。

3.2 现场检查

ARTELIA、SEMAF、SINOHYDRO三家团队对损坏集电环进行了现场检查(见图1～图4)。

图1 老化的铜连接绝缘

图2 腐化的铜连接

图3 集电环1的环间连接短路

图4 集电环2的环间(腐化)连接短路

故障起始点：完整观察集电环的状态可以识别短路的来源， 每个集电环都清楚地显示出故障起点是由在连接和环之间的绝缘性能下降而诱发的。长时间的运行，在集电环与碳刷架之间积累碳粉，碳粉进入转子内部，导致整个励磁回路绝缘下降。碳粉的强烈污染加剧了绝缘破坏。从曲线图放大可以看出励磁电流的变化，对转子产生了强励动作(见图5)。

图5 监控界面的励磁系统曲线

3.3 对集电环绝缘电阻测量

对集电环绝缘电阻的测量如下所示(见表3)。

表3 集电环绝缘电阻值

3.4 对转子绝缘电阻及直流电阻测量

断开励磁集电环转子引线，不需要任何拆卸的情况下进行转子的电阻和绝缘测量(见表4)。

表4 转子绝缘检查

转子直流电阻为0.23 Ω，与机组安装测试数据基本一致。绝缘测量采用绝缘测试仪15871400 FC，直流电阻测量采用HIOKI RM3548测试仪。

3.5 检查励磁系统组件(晶闸管和二极管)

对每个功率柜的元件进行详细检查，组件状况良好。

3.6 检查碳粉尘除尘器的运行

碳粉吸尘装置管道状况不佳，必须重新调整该系统。观察到运行后的过滤器比较干净，但碳粉吸尘器效果不明显，可以解释在转子内部发现稍微扩散的粉尘的原因。

3.7 发电机保护定值检查

在发电机保护装置中，涉及的转子一点接地保护64R定值是符合运行的(见图6)，但在发电机保护的历史记录中，多次出现64R保护转子一点接地低值报警动作。

图6 64R保护定值清单

3.8 机组集电环盘车检查

测圆架的磁性基底固定在定子的上部面上，测圆架触及到集电环的上环。起动压力泵，操作人员旋转转子，结果如下所示(见表5)。

表5 集电环盘车数据

从表中得出最大误差符合0.25 mm，与安装投产时基本一致，符合规范。

4 诊断分析及结果

(1)根据现场及资料所有检查，得出诊断结果：根据转子及集电环绝缘电阻检查，转子绝缘初始值原本平均是200 MΩ；在集电环检修后， 2017年测量值0.5 MΩ，远远低于初始值。可以确认是由几年来碳粉和油蒸汽的积聚加剧了潜在的绝缘故障，引起绝缘急剧下降。

(2)集电环绝缘体上粉尘和油蒸气会极大地降低集电环的绝缘环和绝缘垫。

(3)在出现各种转子对地警报的过程中，运行操作人员启动了吸尘器，表明运行过程中产生的碳粉引起转子整体绝缘下降。在每次64R保护出现时，励磁系统启动强励运行(不超过10 s)，通过励磁回路—集电环—转子，导致铜导体过热。SCADA系统收到信号，“励磁限制报警”显示励磁电流已达到最高。无功功率的不平衡曲线也可证明强励启动。或者说，在这些事件发生时，时而来自励磁系统的强励，时而来自电网的强电流就已通过励磁回路—转子。这种励磁系统与转子电流失去平衡的发生是由于被污染转子或者集电环加剧的绝缘故障所致。因此，这些连续的过热导致铜导体的绝缘件退化。铜连接绝缘减弱导致铜导体和集电环之间的直接短路,导致机电环与刷架螺杆的断裂和熔融事故，以及其他部件损坏。

(4)转子一点对地保护(64R)定值动作机组未跳闸，使得故障迅速升级并损坏集电环。

(5)考虑到特定的设计和风险，(64R保护)转子接地故障具有高值、低值两级保护。包括转子绕组和非旋转励磁设备在内的电感绕组始终与转子的金属部分隔开。如果转子由空气冷化，则绝缘电阻很高。电感回路绝缘故障会导致从电感绕组到大地的导电路径，这意味着出现接地故障。通常，同步交流发电机的电感回路不接地，这就是转子绕组接地故障仅产生很小的故障电流(高值阶段)的原因。因此，转子高值接地故障不会损坏发电机，也不会以任何方式影响运行。

5 建 议

(1)修改发电机保护中的64R保护转子一点接地低值保护，出口报警动作改为跳闸发电机出口开关并事故停机。

(2)加强对2、3号机组的“转子一点接地”报警信号的监测，从高值出现开始。

(3)分析每次报警信号的真实性来源。

(4)尽早检查报警信号发生后的转子及其附件绝缘电阻检查。

(5)在监控系统A界面上，把“转子绝缘故障”一词显示为红色。

(6)将碳粉除尘装置系统重新投入运行，并确保过滤器的清洁可及时清理绝缘件表面，保证绝缘性能。

(7)运行规程重新定义发电机(定子、转子)的绝缘监控标准，来控制绝缘发展趋势。

(8)重新校验发电机保护装置的动作可靠性。

(9)为了使机组尽快恢复电网运行，一致建议组建1个中水电—SEMAF小团队，对1号发电机组进行A修，来进行拆解或重新组装工作。

(10)采购优质电刷，以保证与集电环良好配合。电刷装配前充分研磨处理(适形磨弧)，研磨时避免硬物颗粒遗留在电刷表面，尤其注意砂纸残留物。电刷装配前认真清理集电环、电刷表面，确保集电环及碳刷表面清洁无油污、无异物。

6 结 语

通过ARTELIA及SINOHYDRO对马里费鲁水电站1号机组转子及集电环故障的分析，结合相关技术资料进行比对和现场数据的测量，得出建议意见及应尽快进行1号机组的A修工作，对日后类似机型的运行维护具有借鉴意义。