灯泡贯流式水力发电机组绝缘保持研究与思考

何 滔，汪广明

(国家能源大渡河沙坪发电有限公司，四川 乐山 614300)

沙南电站位于大渡河干流中下游，总装机6×58 MW的灯泡贯流式机组，是目前国内单机容量最大的灯泡贯流式机组。

据沙南所处地理位置当地气象部门历年资料显示，多年平均气温16.3℃，各月平均气温在6.5℃～25.1℃之间，极端最高气温37.6℃，发生在8月份，极端最低气温-3.2℃，出现在12月。多年平均相对湿度77%，各月平均相对湿度在72%～82%之间，九、十月份月平均相对湿度最大为82%，三、四月平均相对湿度最小为72%，各月最小相对湿度为14%，发生在六月份。贯流式机组的结构特性与所处环境的温湿度是灯泡贯流式发电机组绝缘降低的主要影响因素之一[1]。

随着电网能源的丰富和多样化，西部水电的大规模开发，水电资源富裕，水电设备利用小时数降低，大量机组长时间处于停机备用状态。为了保持机组绝缘合格，多机组带少量负荷已成常态，对机组造成极大的浪费且长时间的累积后，导致机组状态不稳定，对机组的损伤也逐渐加大。设备利用时间的下降，也是影响机组绝缘的因素之一[2]。

1 灯泡贯流式发电机组特征

灯泡贯流式水轮发电机组是一种应用于低水头电站的机型，由于这种机型结构特殊，机组运行环境与普通立式机组环境有很大不同，灯泡贯流式水轮机采用卧轴灯泡式，与位于流道上游灯泡体内的发电机相连接，发电机被安置在完全密封的灯泡型壳体内，灯泡体成为水轮机流道的组成部分。机组的发电机密封安装在水轮机上游侧灯泡型的金属壳体中，发电机水平方向安装，水轮机和发电机采用同轴结构，整个机组为双支点双悬臂以管型座为主要支承的灯泡贯流式布置方式，发动机主轴直接连接水轮机转轮。灯泡贯流式水轮机组的水轮机部分由转轮室、导叶机构、转轮、尾水管组成；发电机轴直接连接到转轮，一同安装在钢制灯泡外壳上，发电机在灯泡壳内，转轮在灯泡尾端[3]。支持环固定在灯泡外壳上，转轮端轴承固定在灯泡尾端外壳上，发电机轴前端连接到电机滑环与转轮变桨控制的油路装置。机组的水导轴承、推力轴承都布置在灯泡体内，所有的电缆、冷却水管道、油管、制动器管道等都是通过灯泡竖井和灯泡体支承的空心部分与外界相连。沙南电站水轮机及发电机部分参数如表1、表2所示。

表1 水轮机部分参数表

表2 发电机部分参数表

1.1 发电机组定子特征

定子线圈采用双层条式波绕组或叠绕组，Y形接线。F级绝缘结构，主绝缘采用桐马粉云母带，防晕层直线部分为低阻，端部为高阻，主绝缘和防晕层一次热压固化模压成型，定子线圈嵌线时槽内衬以桐马低阻半导体玻璃布及采用涤纶毡适形垫条，以此保证线圈在嵌线入槽内的紧量。定子线圈接头条用银合金焊接。线圈端箍采用非磁性材料。沙南电站定子绕组采用二支路星形波绕组结构，其主引出线由进人筒引出后进入厂房与主变连接。

定子穿心螺杆绝缘电阻用500 V摇表测量绝缘值不小于25 MΩ。定子线棒的耐压试验：单根定子下层线棒的交流耐压标准为2.75Ue+2.5 kV；定子上层线棒交流耐压试验为2.5Ue+1.0 kV。

发电机定子绕组为F级绝缘，温度不得超过155℃，温升不得超过80 K，正常运行时一般保持线圈温度在26℃～75℃之间运行。

发电机定子绝缘应使用2 500 V摇表测量，绝缘电阻不得低于1.05，吸收比应大于1.6，方认为发电机定子绝缘合格，机组可以运行。

1.2 发电机转子特征

转子是变换能量和传递扭距的主要部件，有显露的磁极，励磁绕组为集中绕组，励磁电流可有同轴的直流励磁机或静止可控硅励磁装置供给。主要由大轴、转子支架、磁轭、磁极等部件组成。

转子磁轭采用支架磁轭结构。磁轭通过键或热套等方式与转轴连成一个整体，用于小容量机组。沙南电站采用筒式热套方式。

集电环支架固定在转子支架上，以销钉定位。磁极引线应为银焊铜排。其截面应至少比最大励磁电流所要求的铜截面大30%。电刷固定端的连接为银焊铜编织带。集电环其绝缘电阻应不小于5 MΩ，检修时如果要进行耐压试验，其耐压值为4 350 V。

发电机转子线圈为F级绝缘，温度不得超过155℃，温升不得超过85 K，运行中用电压、电流法进行监视，所求得的温度应小于或等于允许温度。

转子绝缘测量应使用500 V摇表，绝缘电阻不得低于0.5 ，即发电机转子绝缘合格，机组可以运行。

2 对定转子绝缘保持的思考

2.1 外部设备外加电流发热

将水轮发电机定子绕组首尾顺次连接，外部直流电源接入定子绕组，所需电压值根据发电机定子绕组的直流电阻和所需电流大小确定。外接直流电源线路上同时接入变阻器调节电流及电压，不应使用闸刀开关或自动开关切断电流，应使用变阻器梯度降低电压的方法切断电源，以避免瞬时过电压击穿绝缘。用此方法干燥定子绕组绝缘时，应随时检查定子铁芯、线圈温度，烘干过程还应关注局部温度，避免局部过热[4]。

2.2 通过除湿机与加热器

在发电机定子上下游侧设有加热器，加热器在停机时能自动投入，机组运行时能自动退出。

安装通过对发电机舱内温度、湿度设定，使定转子处于可控环境内来维持定转子绝缘电阻。沙南外部安装除湿机部分参数如表3所示。

表3 除湿机具体参数表

两台机组共用一台除湿机，通过手动切换阀控制。安装除湿机后机组多次进行开停机操作，在开机前对定转子绝缘进行测量。使用结果如表4、图1所示。

表4 绝缘电阻数据表

2.3 停机在线绝缘监测

大型发电机在线监测一般采用电测法，发电机定子绕组局部放电主要有三种类型：内部放电、端部放电和槽间放电。三种放电类型形成的机理不同，放电强度也有所不同。预计监测效果如图2所示。

图1 某机组停机后定子铁芯与绕组温度变化图

图2 某机组停机后GCB某相各段温度变化图

2.4 定时空转机组方式

在水轮机不加励磁电流、不建压的情况下，通过水轮机空转产生空气流动，使其发热，自然风干内部水分和湿气。

2.5 适当改善冷却方式

发电机冷却系统采用一次水循环直接冷却方式，通风系统采用密闭强迫自循环混合方式，发电机冷却及通风系统采用一次水循环直接冷却方式，发电机冷却及通风系统由轴向流通风机、空气冷却器、相关管路及元器件组成。在发电机的上游侧安装8台轴流风机，将由8台空气冷却器冷却水冷却后的冷风加压后送入发电机，形成相对密闭自循环的风路，通过密闭自循环强迫空气冷却方式达到对发电机定转子冷却降温的目的。沙南空冷风及定子铁芯、绕组温度运行参数值如表5所示。

表5 空冷风及定子铁芯、绕组温度运行参数值表

气动动力学和热力学中对冷却空气压力和空气温升做出了规定：在其他条件恒定的情况下，冷却空气压力P与空气的温升ΔT成反比，即ΔT=κ/P，κ为一个系数。且冷却空气压力P与空气散热系数α间存在以下关系：α=κ(PV)0.75，即空气压力P越大，空气散热系数α也越大。通过风机强迫空气循环，将发电机产生的热量带走，贴灯泡体内壁流通，将热量直接传递给河水。增压通风冷却方式需在灯泡内装多台轴流式风机，使空间减少，同时给维护、检修带来不便[5]。

密闭强迫自循环混合冷却方式也会将一定的水分和湿气带入发电机，在降温的同时也会一定程度的影响机组绝缘。通过适当改善冷却方式，将湿气与水分做科学精细的控制，一定程度上保持机组绝缘。沙南使用效果如图3所示。

图3 某机组停机后空冷温度变化图

2.6 采用特殊材料或外部加热干燥

发电机舱内壁涂刷防结露漆，在定子机座底部设排水槽，外接排水管通至厂房排水沟。定子绕组受潮时会导致整体绝缘下降。受潮原因是发电机及其附属设备不完全密封，湿度高时，特别是夏季阴雨天气，定子绕组出口及中性点引出线处支持瓷瓶表面易结露形成水珠、水膜、使定子绕组整体绝缘降低，且水珠潮气极易具有导电性，造成绝缘值降低。导致发电机在停运状态下极易受潮，主要表现在泄漏电流显著增加、绝缘电阻显著降低[6]。

绝缘材料影响着发电机使用的安全性和可靠性，在长期的现场运行中，发电机由于受到电气故障、温度、摩擦和机械振动的共同作用以及不同外部环境条件的影响，其定子绕组以及铁芯叠片之间的绝缘部分会逐渐产生老化，绝缘电阻值下降。

根据实际条件，也可适当选择外部加热干燥的方法，选择合适的热源，对发电机绕组与铁芯进行加热，使发电机内水分蒸发。应用此方法应注意热源与定子之间的距离，避免局部过热。

3 结 语

灯泡贯流式机组由于其结构的特殊性造成其发电机绝缘保持存在一些有待完善的部分。从源头上来说，目前机组停机后对绝缘的监测手段较少，应加强停机后对机组的绝缘监测以及各关键部位的温度、湿度监测，对机组停机后绝缘的变化采集数据量化，形成更直观的判断。从解决方法来说，可通过自身实际情况，选择合适的绝缘保持方法，来保证机组绝缘合格，保障厂站出力能力和机组健康。