大型發電機定子繞組常見故障的分析及處理

邵 永 斌

（哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040）

0 前言

1 定子繞組擊穿的原因

隨著我國機電制備技術的不斷改進，發電機的單機容量也不斷提高。大型發電機是電力系統中最重要的主設備之一，大型發電機出現故障導致無法運行，將會造成巨大的經濟損失和嚴重的后果。發電機損壞事故中有將近 50%是由定子繞組絕緣損壞引起的。定子繞組單相接地故障是發電機最常見的一種故障，嚴重時會燒毀定子繞組和鐵心，造成巨大的經濟損失。

本文通過實例介紹出現故障的原因， 便于電廠在運行維護時采取切實可行的預防和控制措施，防止事故擴大，提高事故分析的正確性[1]。

1.1 安裝工藝的影響

工藝操作過程會影響電機安裝質量。四川某電站20kV等級的發電機下層線棒，耐壓試驗時，多次在52kV下出現繞組下端放電現象，導致耐壓試驗無法進行。繞組端部清理完表面后，在復檢過程中發現，端部仍然存在半導體硅橡膠顆粒（如圖1(a)所示）。半導體硅橡膠顆粒是耐壓試驗放電的主要原因。經過安裝公司技術人員仔細檢查，發現槽口處溢出的半導體硅橡膠顆粒很容易脫落到端部表面，這就是端部繞組表面始終存在硅橡膠顆粒的原因。全面清理定子繞組槽口、端部表面硅橡膠顆粒，再進行耐壓試驗時，沒有出現放電現象，耐壓試驗順利通過。

定子繞組表面尖角毛刺沒有清理干凈，由于繞組表面電位較高，在高場強作用下，電荷容易集中到表面尖端部位，引起放電。在定子線棒下線過程中，如果不按工藝要求操作，或操作人員沒有認識到繞組表面保持平整的重要性，往往會造成繞組表面尖角毛刺清理不干凈，繞組表面容易產生局部放電現象（如圖1(b)所示），不斷腐蝕絕緣層，最終會縮短線棒主絕緣使用壽命。

圖 1

2013年8月，四川某電站5號機組。已經安裝完轉子、上機架，在試驗過程中，上機架蓋板的固定螺栓脫落到上端鐵心槽口處，劃傷6根上層線棒主絕緣層（如圖1(c)所示）、2根上層線棒引出線部位絕緣層。由于沒有按照圖紙要求操作，致使螺栓固定時沒有鎖住。在機組試驗過程中，螺栓脫落，劃傷繞組絕緣層，使機組無法進行下序試驗，影響了正常的生產進度。

1.2 附屬設備的故障

機組一些附屬設備，在檢修期間需要進行仔細檢查，及時發現并消除隱患。如果設備超過使用年限，需要及時更新。

廣西某電站1995年投產的18kV/220MW發電機，2013年6月，機組發生定子線棒下端絕緣盒擊穿事故。4號機下層槽號124、140、144、149線棒，其下端的絕緣盒放電，露出裸銅線。放電原因是機組的冷卻器管路漏水（如圖2(a)所示），漏水量較大，水流順著壓指板流到絕緣盒上，降低了絕緣盒的絕緣性能，致使絕緣盒對地擊穿。流到絕緣盒表面的水量較多，并混有灰塵油污等雜質，絕緣盒表面存在的雜質及水分造成絕緣盒表面電場畸變，引起絕緣盒沿面放電，同時在交流電場和水分的作用下，絕緣材料發生降解，直到絕緣盒的絕緣性能降低承受不住閃絡擊穿，瞬間發生了絕緣盒對地擊穿。

圖 2

2010年12月，廣西某水電站地下電站爆破時山體積留的水流到廠房內，直接流到機組內。由于下端絕緣盒灌注膠有裂紋，水滲進去后引起上下層線棒接頭的連接塊處放電，放電處不但燒毀線棒的導線，還把附近的線棒絕緣燒毀。2013年07月，瀾滄江某水電站由于空冷器波紋管（如圖 2(b)所示）破裂，風洞內的積水在基坑內循環風的作用下，噴灑到發電機定子繞組的下端部，進而形成了相對地、相間短路，燒損了局部線棒接頭。

1.3 手包絕緣不良

國產 200MW 汽輪發電機出現過明顯的相間短路事故，易發生相間短路的部位有：定子繞組端部的引線手包絕緣、引線手包絕緣與異相線棒接頭之間及汽側端部高電位異相接頭之間。相間短路原因如下[2]：1）手包絕緣沒有固化成一體，絕緣層之間有空隙，油污，水汽容易順著空隙進入絕緣層與導線之間的界面，減弱了絕緣性能；2）繞組端部固定結構強度低，在交變電磁力和熱應力作用下，線棒與固定件之間會產生相對位移，磨損主絕緣。

1.4 存在異物

發電機在安裝或大修期間，鋸條頭、螺釘、焊渣、鐵絲頭、金屬條等異物遺落在機組內，會引起機組擊穿事故。機組內遺留金屬異物的主要原因就是操作工藝執行不力、檢查驗收不到位、操作者工作不細致。2009年 5月貴州某電站在進行 4號發電機（15.75kV/25MW）交接試驗時發現定子三相泄漏電流不平衡，C相泄漏電流偏大，交流耐壓試驗順利通過。當時分析認為是因為手包絕緣或絕緣盒灌注膠固化和干燥程度不夠，不影響機組運行，最終投入運行。投運后的歷次檢修中做直流耐壓試驗時C相泄漏電流仍然偏大。2010年大修時曾請某電力試驗研究院通過試驗查找C相泄漏電流偏大的原因，但未查找到。2012年6月4號機組C相發生相間短路事故，由于定子線棒短路點已燒損（如圖3所示）且未發現異物撞擊定子線棒痕跡，無法準確鑒定事故的直接原因。經分析認為：線棒絕緣層存在缺陷的幾率較?。徊痖_部分擋風板后發現有幾處線棒端部表面有半導體雜物（硅橡膠殘留痕跡），在定子線棒下線時，槽內半導體硅橡膠流出后未及時清理干凈，半導體硅橡膠容易導致線棒表面放電而腐蝕絕緣層，最終出現相間短路。 4號機組C相泄漏電流偏大，與線棒表面狀態及線棒間存在的導電雜物有關。泄漏電流大的情況在四川廣安電廠也出現過[3]，廣安電廠在檢查泄漏電流大的原因時發現線圈端部距槽口360mm有5mm長直徑1mm的鋼絲。

圖3 定子線棒相間短路部位

2012年5月云南某電站6號機組運行兩年左右，小修期間發現繞組下端下層背面端箍上遺留一小段鐵條，運行期間在交流電磁力的作用下，鐵條不斷磕碰線棒絕緣層，損傷線棒防暈層后進一步損傷主絕緣層，幾乎切斷主絕緣層，如果不是停機檢修，肯定會釀成定子繞組擊穿的事故。

天生橋一級水電站 1號機組運行不到二年，于2002年10月機組突然發生擊穿短路事故，共有8根線棒燒毀，4個磁極匝間交流阻抗分布不均勻。事故源于U相 2-3分支間的匝間短路。發生事故的根源是在發電機現場組裝施工中，遺留了一段長約44mm的鐵物，斜搭在上、下層線棒的內側間。由于熱效應和振動機械磨損效應同時作用于鐵物兩端及線棒絕緣的表面，線棒的絕緣逐漸被破壞，最終發生擊穿事故[4]。

2 定子繞組內部故障分析檢測

研究發電機定子繞組內部故障時，基于快速傅立葉變換和小波變換技術建立了數學模型[5]，可以對不同運行工況下同步發電機定子繞組內部匝間短路故障的時頻穩態和暫態特性進行相應的數值分析[6]。下面從另外幾方面介紹分析定子繞組內部故障及解決措施。

2.1 多回路理論分析電機內部故障

定子繞組內部故障時氣隙磁場的諧波很強，電機中慣用的參數不能用于分析內部故障。高景德及王祥珩1987年首次提出交流電機的多回路理論[7]。該理論把電機看作由若干相互運動的回路組成的電路，根據發電機定子繞組的接線方式，確定發電機定子繞組實際可能發生的相間和匝間短路數。運用多回路分析法對所有實際可能發生的短路進行計算，求得每一故障下各支路電流的大小和相位，包括中性點連線電流的大小。

國外也有一些學者開始利用多回路方法研究電機內部故障。1990年德國Kulig教授發表汽輪發電機內部故障的計算方法[8]。美國學者Toliyat和Lipo等人研究感應電機定子和轉子繞組的瞬態故障，利用異步電機繞組不對稱的多耦合電路分析方法并進行了實驗室試驗[9]。

為了提高多回路模型的精確度，更好地考慮鐵心飽和及渦流的作用，高景德等[10]建立了多回路和電磁場有限元相結合的模型。在實驗室電機和動態模擬電機上完成了各種工況下的仿真和試驗對比，驗證了場路結合模型有更高的仿真精度。當采用多回路分析方法研究電機內部故障時，其參數計算主要是指各回路的電感參數，這些參數多半與電機的轉子位置有關[11]，即它們多為時變參數。用多回路法仿真研究電機內部故障，每個回路都需要寫出方程，列成方程組后聯立求解，因此方程的數量決定了求解方程組的難易程度。定子繞組內部短路時短路回路電流主要是由于直流勵磁電流在其中產生的感應電勢引起的，但其他回路的電流，其中也包括定子正常相內的環流以及故障相的正常支路間的環流，對短路回路電流亦有影響。因此短路回路電流計算誤差增加，且其他支路電流更難以準確計算。

2.2 定子繞組單相接地故障及絕緣缺陷的定位方法

定子繞組與鐵心間的絕緣被損壞會導致發電機定子接地。絕大部分定子繞組擊穿短路前都要經歷一段絕緣老化或磨損的過程，如能實時掌握定子繞組對地的絕緣狀況就可以預測繞組是否會出現接地故障。

雖然定子繞組單相接地故障的危害較小，但它是更嚴重短路故障的先兆。及時發現接地故障將極大地降低發電機內部短路故障的發生概率，若能夠進一步診斷出故障位置，將為接地故障后的處理工作提供更多的便利。若接地故障發生在發電機的機端引線或中性點外，保護裝置能夠診斷出故障位置，就能盡快排除故障，減少停機造成的損失；若接地故障發生在發電機繞組內部，診斷出故障位置也能加快檢修進度。

因為缺少必要的故障信息，目前發電機定子單相接地保護還不具備定位故障的功能。畢大強等[12]研究結果表明，利用外加電源單相接地保護和基波零序電壓保護所提供的故障信息，即外加電源定子單相接地保護計算的接地故障過渡電阻值和零序電壓保護中的機端各相對地電壓變化特點，可以對定子繞組單相接地故障進行定位。

黨曉強等[13]提出一種對大型發電機定子繞組對地絕緣狀況進行在線監測的新原理，并在此基礎上提出在線確定接地短路點位置的新方法。定子繞組對地相對阻抗的數值可以反映其在線對地絕緣狀況，根據接地故障時零序電壓大小和相位來確定短路接地點位置的思路。

羅建等[14]利用零序網絡和三次諧波電壓等效網絡來實時監測計算發電機定子單相接地電阻。這種方法需要故障定位程序，利用程序計算出接地故障點距離中性點的匝數占每分支繞組總匝數的百分比，當百分比小于2%時用三次諧波方法計算基礎電阻，當百分比大于2%時用基波零序的方法來計算接地電阻，實現了監測繞組全長的接地情況的目的。

大型發電機定子繞組在進行直流耐壓試驗時，有時會出現三相泄漏電流相差較大，且泄漏電流隨電壓不成比例上升或突變的情況，這些異常情況表明發電機定子繞組絕緣存在缺陷。找到缺陷所在部位并予以消除，對提高發電機繞組的使用壽命具有重要意義，但有時定子絕緣的局部缺陷是不容易查找到的。定子繞組一相或一個支路的絕緣雖然能承受標準規定的直流和交流耐壓試驗的電壓，但當其泄漏電流較其他相或支路高出許多時，說明絕緣存在某種缺陷。1999年7月大同第二發電廠6號發電機大修前耐壓試驗，發現其三相泄漏電流（直流耐壓試驗）嚴重不平衡，但通過了交流耐壓試驗。B相泄漏電流比其他兩相的大幾倍以上，因此懷疑B相絕緣存在缺陷。賈素云等[15]利用U型探測器檢測B相繞組絕緣，根據局部泄漏電流偏大的特點，確定了絕緣局部缺陷的具體部位，拆除了有缺陷的線棒，避免了發電機重大事故的發生。

3 結論

目前發電機組容量越來越大，額定電壓值也越來越高，為了避免出現大型發電機定子繞組故障，需要注意以下幾方面的問題。1）在定子線棒下線后，必須清理干凈槽部、槽口及端部表面附著的半導體硅橡膠顆粒，清理干凈端部表面的尖角毛刺，避免耐壓試驗時出現放電現象；2）機組安裝過程中，嚴格按照圖紙要求和工藝要求操作，并且堅持復查制度，以提高操作質量，避免不必要的失誤；3）機組附屬設備的質量需要定期檢查維護，超過使用年限的設備需要及時更新；4）機組安裝或大修時，避免金屬異物進入機組內部；5）電氣試驗時，泄漏電流偏大值超出標準要求的，一定仔細檢查，查出原因，避免機組存在隱患運行而釀成事故。

利用多回路理論分析定子繞組內部故障是目前非常實用的方法，尤其是多回路理論與有限元計算結合，能動態模擬電機各種工況下的狀態，能較準確地預測出定子繞組單相接地故障，并診斷出接地故障點。另外利用繞組端部絕緣缺陷與泄漏電流的關系，也能診斷出繞組絕緣缺陷的具體部位。

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