600MW汽輪發電機定子手包絕緣缺陷的發現與處理

楊俊義

本文介紹了一臺600MW大型水氫氫汽輪發電機定子端部引線接頭手包絕緣缺陷的發現過程，并簡要介紹了處理過程以及原因分析。

大型發電機連接線、引線接頭絕緣是重要部位之一，從以往系統內發電機定子繞組相間短路事故來看，其中引出線接頭手包絕緣問題占事故發生比例較大。因此，大型發電機連接線、引出線采用手包絕緣是一個值得高度重視的問題。公司#4發電機采用的是某汽輪發電機有限公司生產的QFSN-600-2型汽輪發電機，定子額定電壓20kV，冷卻方式為“水氫氫”，于2006年11月投產。在安裝交接試驗過程中曾經及時發現了發電機定子端部引線部位手包絕緣的缺陷，并成功進行了處理，為日后機組安全可靠運行奠定了良好的基礎。

缺陷的發現

發電機定子端部出線與出線室在現場連接后，由制造廠專業人員進行絕緣包扎，故此處絕緣俗稱手包絕緣（見圖一）。包好后，為檢查該處絕緣的工藝質量以及定子端部引線接頭（包括引水管錐體絕緣、隔相接頭、過渡引線并聯塊等）手包絕緣密實性和相對絕緣強度，需要對手包絕緣進行表面電位外移測量試驗。在上述手包絕緣處及過渡引線并接塊處包裹好錫箔紙，定子繞組三相并聯施加直流試驗電壓20kV用100M標準測壓桿測量各處對地的電壓降，測量到出線接頭手包絕緣表面電位為：A相：90V、B相：70V、c相：60V（出線與中性點接頭并聯引出），其他測量點的表面電位均未超過150V。根據原“兩部”（電力工業部和機械工業部）1994年發布的“汽輪發電機定子繞組端部手包絕緣狀態測量方法及標準評審會紀要”中的國產水氫氫汽輪發電機定子繞組端部絕緣判斷推薦標準，新機投產前手包絕緣引線接頭及汽機側隔相接頭表面電位限值為1300V，上述測量值在合格范圍內。

隨后進行定子繞組直流泄漏試驗，其測量數據如下：

從以上數據可以看出：發電機定子繞組B相在試驗電壓50kV時直流泄漏電流出現拐點突然增大，60kV時直流泄漏電流達150A且隨耐壓時間的延長泄漏電流逐漸增大，相間泄漏電流極不平衡，超過了規程的規定值，上述試驗數據表明發電機定子繞組B相絕緣存在某種缺陷。從以往的經驗來看，各相泄漏電流相差過大，一般說明其缺陷部位遠離鐵心，在定子端部或套管；泄漏電流隨時間的增長而升高，說明存在高阻性缺陷和絕緣分層、松弛或潮氣侵入絕緣內部。

查找故障及處理過程

由于發電機定子繞組直流泄漏試驗前的定子繞組端部表面電位外移試驗所加試驗電壓為20kV，可能不足以發現某些定子繞組端部的絕緣缺陷，現場專業技術人員商議，決定對B相進行更高電壓下的定子繞組端部表面電位外移試驗，以查明缺陷部位。對于發電機出線罩出線側和中性點側六個引線手包絕緣盒用絕緣導線引出方便測量，試驗數據見表二，從表二的試驗數據可以看出，發電機中性點側手包絕緣處表面電位在試驗電壓加到50kV時表面電位上升到20kV，而發電機出線側手包絕緣在試驗電壓加到50kV時表面電位僅上升到2kV，表明發電機定子繞組中性點B相出線接頭（見圖二，即圖中V2相）手包絕緣內部存在缺陷，使得定子繞組電位外移到繞組絕緣表面，由此判斷發電機B相中性點側引線接頭手包絕緣不合格。

查找到絕緣缺陷后，隨即通知制造廠趕到現場對缺陷進行確認和處理。廠家人員到現場后，先將接頭絕緣盒包扎的玻璃絲帶剝開，對表面進行清理，然后包扎硅橡膠帶，外包玻璃絲帶后刷環氧漆，干燥后進行高電壓下的電位外移試驗，當試驗電壓加到56kV時，外移電位已達到50kV左右，并在錫箔紙處伴隨較大的放電聲，上述處理方法是失敗的。

接著廠家人員將外包玻璃絲帶及填充物全部清除干凈，發現絕緣盒內部絕緣帶包扎不均勻，并且內部填料沒有完全固化（手感發軟），屬于絕緣包扎工藝不到位。

找到問題的癥結后，廠家人員按照手包工藝要求重新對接頭絕緣進行處理，再進行干燥，絕緣徹底烘干后，再做一次表面電位對比測試，表面電位符合標準要求，進行直流泄漏電流試驗表明三相平衡（見表三），試驗合格。

問題分析

對上述問題進行分析，先需要了解發電機定子引出線與瓷套端子連接處絕緣處理方法（見圖三所示），定子端部出線與出線室處手包絕緣處理方式與此相同。

該處絕緣的處理方法：1、清理連接部分。2、用浸53841YR膠的滌綸氈蓋包接線夾把合螺栓頭和螺母，以鎖緊螺栓和螺母，同時將螺栓、螺母、引線夾等部件不規則表面和臺階填平，以消除氣隙并形成規則包扎面。3、用15層半疊繞0.14×25云母帶9545-1H包扎形成主絕緣。包扎時層間刷53841YQ膠，并注意拉緊帶子，避免臃腫。包扎到絕緣引水管上時必須包過管夾80ram。4、最外層半疊繞1層0.1x25玻璃絲帶，并刷53841YQ膠覆蓋。5、固化12小時后外面刷1層9310紅瓷漆。

據有關資料統計國產大型汽輪發電機普遍存在由于有引線手包絕緣整體性差，線棒端部鼻端絕緣盒填充不滿，絕緣盒與線棒主絕緣末端及引水管搭接處絕緣處理不當，綁扎用的滌玻繩固化不良以及端部固定薄弱等工藝缺陷，在運行中易發生端部短路故障。為了檢測定子繞組端部絕緣缺陷，所以需要做定子繞組端部局部泄漏電流和表面電位試驗。但對于絕緣缺陷距地較遠處的檢測靈敏度，試驗標準中要求的表面電位外移測量試驗存在一定的局限性，由于所加試驗電壓較低，使一些缺陷不能暴露出來。

從上述有關試驗表明，發電機定子繞組出廠時已經試驗合格，出線小室（包括部分引線以及出線套管）也在制造廠內進行了絕緣試驗并且一定是合格的，發電機各部件運輸途中也未出現大的碰撞和損傷，查找泄漏電流偏大原因，最有可能是現場手包的引線接頭絕緣盒未包好，存在絕緣缺陷，由于手包絕緣完成后的電位外移試驗，試驗電壓僅為20kV，絕緣體內部氣隙上所加的電壓未達到空氣游離的電壓，故不足以發現此處的缺陷。

實際上定子繞組B相絕緣存在缺陷是通過第一次發電機定子繞組直流泄漏試驗發現的，試驗電壓已施加到額定電壓的3倍達到60kV時，測量到B相泄漏電流與其它兩相相比較明顯偏大，B相泄漏電流為A相的8.8倍、c相的5.8倍，大大超過規程允許值，且泄漏電流隨耐壓試驗時間的延長逐步增長，由此可以判斷發電機B相絕緣有問題。

查找故障點過程中對發電機定子繞組B相手包絕緣進行更高電壓下的表面電位檢查，電壓加大到50kV后，發電機表面電位有突變，證明手包絕緣內部在包扎過程中遺留的缺陷（即空隙或氣泡），運用電介質理論分析絕緣內部存在空隙或氣泡，在升壓過程中這些氣隙處承受電壓作用，當電壓達到其游離電壓時，氣隙中的空氣電離便產生局部放電，隨著承受電壓的升高，局部放電越來越強烈，使絕緣性能下降，絕緣性能下降又導致局部放電的加劇，最終導致絕緣在一定電壓值擊穿，電位隨之外移至絕緣外表面。隨電壓的升高表面電位值逐步提高，隨后的試驗表明隨著加壓次數的增多，絕緣性能還會逐步下降，以至最后發展到絕緣擊穿。

綜上所述，進行表面電位外移測量試驗對發現發電機手包絕緣缺陷是一個較好的手段，表面電位測試法能有效發現發電機端部線圈引線處、引線接頭處等部位手包絕緣因材質不佳、包纏工藝不良、受潮引發的絕緣不良以及絕緣老化等缺陷。但由于試驗電壓采用標準所要求的發電機額定電壓，還不能使絕緣中空隙或氣泡中的空氣游離導電，因而這樣條件下的表面電位外移試驗還不能暴露絕緣的缺陷。因此該試驗不能替代直流泄漏試驗，需要結合兩個試驗結果來綜合判斷手包絕緣是否存在缺陷。