定子繞組相間短路與接地故障分析及處理

胡維超

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

大型發電機是電力系統的核心，是十分重要和昂貴的設備，其運行可靠性對系統的正常運行、用戶的不間斷供電、保證電能質量以至整個社會的協調發展都起著極其重要的作用。本文分析了大型發電機繞組所涉及的各類電氣故障與不正常運行工況及其危害和一些相應分析解決方法。在發電機內部分析定子發生在繞組之間和繞組對地之間的故障工況。定子是發電機最重要的部件。發電機定子故障是多發性故障，造成的損失也比較嚴重。因此，我們有必要對定子繞組短路故障進行研究。

1 定子繞組故障的特點及原因分析

1.1 發電機繞組的故障類型

發電機繞組故障主要有:定子繞組相間短路;定子繞組一相匝間短路;定子繞組單相接地。

1.2 定子繞組故障的特點

(1)短路點發生在繞組電位較高的地方;

(2)短路點在絕緣相對薄弱的部位;

(3)發生短路的機組存在油污嚴重、濕度偏高的運行工況;

(4)短路點在容易被油污污染的一側;

(5)短路故障與制造質量不穩定有關;

(6)短路故障與運行條件有關。

1.3 定子繞組故障分析

定子繞組發生故障通常都是定子繞組絕緣損壞引起的。定子繞組絕緣損壞通常是絕緣體的自然老化和絕緣擊穿。水輪發電機定子繞組相間短路故障主要包括:相間短路和單相接地。

定子繞組內部故障是電機中常見的破壞性很強的故障，當發電機發生相間短路時，發電機可能出現4～5倍于額定電流的大電流，急劇增大的短路電流和產生的巨大的電磁力及電磁轉矩，對定子繞組、轉軸、機座都將產生極大的沖擊而損傷，巨大的沖擊力將直接損壞發電機定子端部線棒，使其嚴重變形、斷裂，造成絕緣損壞，從而產生過熱甚至燒毀繞組和鐵心。

1.3.1 定子相間短路

定子相間短路故障的主要原因是端部絕緣薄弱的部位不能長期承受油污與水分的侵蝕。因為故障部位的引線與過橋引線都是手包絕緣，其接頭絕緣在下線后同樣要手工包扎，這樣絕緣的整體性與槽部對地絕緣相比，有很大的差距。這說明制造工藝不穩定也比較容易使該部分絕緣質量下降。在運行中當油污與濕度嚴重超標時，繞組整體性較差的絕緣被侵蝕，絕緣水平逐漸下降，使絕緣外部的電位接近或等于導線電位，造成電位外移，這時處于高電位的不同相引線間就開始放電，當濕度偏高時，放電的強度會不斷增強，直至發生相間短路造成嚴重的故障。

以上是定子繞組內部原因引起的定子繞組相間短路故障，引起定子繞組相間短路故障還有一些外部原因。故障部位留存有異物，絕緣體表面落上磁性物質，當異物留存在定子絕緣體表面尤其在中、高阻區部位時，繞組受到電磁力作用而產生振動，磨損絕緣，造成發電機定子繞組短路故障也很常見。另外，轉子零部件在運行中端部固定零件脫落、端部接頭開焊等也都可能引起絕緣損壞，從而進一步造成定子繞組相間短路故障。

1.3.2 定子繞組單相接地

定子繞組的單相接地也是發電機最常見的一種故障，通常指定子繞組與鐵心間的絕緣破壞。

引起定子繞組接地故障的原因很多，但主要是由于在發電機組現場中因下線安裝不嚴格遵守國家相關規范要求造成的線棒絕緣局部缺陷;定子鐵心疊裝松動、定子繞組線棒在端部或槽內固定不緊、整體性差，在機組運行中因電暈、發熱電磁力作用下墊塊、綁繩、槽楔及楔下墊條局部發生位移，使槽內繞組線棒絕緣體發生相對位移、摩擦而造成局部絕緣損壞，導致定子接地故障。

2 預防措施及處理辦法

2.1 提高定子繞組端部絕緣水平

2.1.1 引線手包絕緣的絕緣材料應有較高的介電強度和防油、水侵蝕的性能。

2.1.2 引線手包絕緣要有合適的層數和過渡，每層半疊繞包扎完后須刷絕緣漆，保證絕緣的連續性，包扎后要嚴格按工藝烘焙。

2.1.3 引線之間應有足夠的放電距離。

2.1.4 絕緣盒必須填充嚴密、密封良好。

2.1.5 滌玻繩要用漆侵透，并防止滑入接口，施工中防止污染滌玻繩，使滌玻繩保持較高的表面和體積電阻，防止爬電。

2.1.6 引線手包絕緣處要消除金屬尖角，防止尖端放電。

2.2 定期對機組進行維護和檢修

在機組進行檢修過程中，應對定子線圈進行直流耐壓及交流耐壓試驗，電壓等級應執行制造廠或國家相關標準，這兩項試驗各具特點不能相互取代。直流耐壓試驗容易發現定子線圈端部缺陷，交流耐壓試驗可檢測槽部絕緣缺陷，原因是在交流耐壓試驗下由于線圈通過對地雜散電容電流造成了電壓沿線棒分布不均勻，致使端部對地電壓最低，因而使端部絕緣承受的電壓減少。直流耐壓試驗時，沒有電容電流從定子線棒流過，當距離鐵心較遠(如線圈接頭處)時，由于端部線圈表面絕緣電阻的作用，使施加在槽部絕緣上的電壓大大降低，影響了直流耐壓試驗的靈敏度。

2.3 定子繞組相間短路的檢查方法

2.3.1 外部觀察法。觀察接線盒、繞組端部有無燒焦，繞組過熱后留下深褐色，并有臭味。

2.3.2 探溫檢查法。空載運行20min(發現異常情況應馬上停止)，用手背摸繞組各部分是否超過正常溫度。

2.3.3 電位外移法。電位外移法能發現定子端部絕緣缺陷、絕緣填充不實等原因造成的檢修試驗中難以發現的缺陷及隱患。其原理是:當直流電壓施加在線棒上時，對地電壓按電阻分配。絕緣無缺陷時，線棒絕緣的體積電阻RV遠遠大于其表面電阻RS，電壓主要降在體積電阻RV上，被測處絕緣表面的對地電壓很低;當絕緣存在缺陷時，體積電阻RV減小，絕緣電壓降也小，致使被測處絕緣表面的對地電位增高，這種絕緣表面對地電位明顯增大被稱為電位發生了外移。

試驗方法和注意事項:

(1)定子線圈上、下端部編號并記上標記。

(2)把線圈端部模壓絕緣處表面清理干凈。

(3)為了鑒定定子線圈表面臟污程度，也可先測量檢測部位的絕緣電阻，可使用搖表測量各點鋁箔紙對定子線圈的絕緣電阻及鋁箔紙對鐵心的絕緣電阻，前者要求定子線圈接地，后者要求定子線圈不接地。

(4)電位外移測量方法是，在定子繞組端部各測量點絕緣處包鋁箔紙，在定子繞組三相一起施加相當于額定電壓值的直流電壓(儀器容量不足也可分相施加)，用一根內裝100MΩ電阻(也可選用專業的電位外移測量儀器)的絕緣棒搭接到鋁箔紙上，讀取靜電電壓表和微安表的讀數，當電壓或電流超過標準值時即可認為該處絕緣有缺陷。

(5)電位外移測量法判斷定子繞組端部絕緣缺陷的標準是根據國家頒布的DL/T 596—1996《電力設備預防性試驗規程》的規定，定子繞組端部接頭和過度引線并聯塊泄漏電流不大于30μA，100MΩ電阻上的電壓降不大于3kV。

(6)對測量數據進行匯總分析，對超標各點應及時做出處理，事先清理各處理點，用環氧粉云母膠泥封堵處理點，再包扎環氧粉云母帶或玻璃絲帶，邊包扎邊刷膠，固化烘焙處理后，重復上述試驗直至合格。

(7)試驗時應采取必要的安全措施，試驗人員應戴上絕緣手套，穿絕緣靴站在絕緣墊上，測量桿必須經過耐壓試驗，符合試驗電壓并具有一定的安全長度。試驗人員與被試驗品應保持足夠的安全距離并派專人監護。

2.3.4 萬用表或兆歐表法。測任意兩相繞組相間的絕緣電阻，若讀數極小或為零，說明該二相繞組相間有短路。

2.3.5 電壓降法。把三繞組串聯后通入低壓安全交流電，測得讀數小的一組有短路故障。

2.4 定子單相接地的檢查方法

故障機組可根據條件采取不同的檢查方法排除缺陷和隱患。

2.4.1 觀察法。目測觀察繞組端部及線槽內絕緣物有無損傷和焦黑的痕跡，有就是接地點。

2.4.2 萬用表檢查法。用萬用表低阻檔檢查，讀數很小，則為接地。

2.4.3 兆歐表法。先對定子繞組采取烘干處理，根據不同的等級選用不同的兆歐表，分U/V/W三相測量每相定子繞組的絕緣電阻，若單相繞組的絕緣電阻存在與其他相讀數差異或讀數為零，則表示該相繞組接地。但對電機絕緣受潮或因事故而擊穿，需依據經驗判定，一般說來指針在“0”處搖擺不定時，可認為其具有一定的電阻值。

2.4.4 試燈法。如果試燈亮，說明繞組接地，若發現某處伴有火花或冒煙，則該處為繞組接地故障點。若燈微亮則絕緣有接地擊穿。若燈不亮，但測試棒接地時也出現火花，說明繞組尚未擊穿，只是嚴重受潮。也可用硬木在外殼的止口邊緣輕敲，敲到某一處燈一滅一亮時，說明電流時通時斷，則該處就是接地點(僅適用于額定電壓不大于10.5kV 機組)。

2.4.5 電流穿燒法。用一臺調壓變壓器，接上電源后，接地點很快發熱，絕緣物冒煙處即為接地點，接地點剛冒煙時應立即斷電。

2.4.6 分組淘汰法。對于接地點在鐵心里面且燒灼比較厲害，燒損的銅線與鐵心熔在一起。采用的方法是把接地的一相繞組分成兩半，依此類推，最后找出接地點。

2.5 定子繞組接地的處理方法

2.5.1 繞組受潮引起接地的應先進行烘干，現場具備條件的，可當冷卻到60℃ ～70℃左右時，噴涂絕緣漆后再烘干。

2.5.2 繞組端部絕緣損壞時，在接地處重新進行絕緣處理，涂漆，再烘干。

2.5.3 繞組接地點在槽內時，應重繞繞組或更換部分繞組元件。

2.5.4 最后應用不同的兆歐表進行測量，確認滿足技術要求。

3 結語

在發電機的運行過程當中，繞組的結構遠比本體脆弱，通常發電機的機械損傷先破壞到的也是繞組，再引發電氣故障。電氣故障先燒損的都是繞組，總之絕大多數故障是先源于繞組。發電機的各種異常運行和短路對繞組也很容易產生破壞影響。因此對繞組電氣故障的有效分析和預防對整個電力系統的安全穩定運行及供電有很大意義。