泰山抽水蓄能電站4號(hào)機(jī)組定子繞組短路故障分析及處理

楊艷平，張亞武，張全勝，郝國(guó)文，朱慶龍

（1.山東泰山抽水蓄能電站有限責(zé)任公司，山東省泰安市 271000；2.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；3.山西西龍池抽水蓄能電站有限責(zé)任公司，山西省忻州市 035503）

0 引言

發(fā)電機(jī)定子是抽水蓄能電站的主要設(shè)備之一，發(fā)生故障后處理難度較大，處理周期較長(zhǎng)，將給電站造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。本文對(duì)泰山抽水蓄能電站發(fā)生的一起發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組短路故障進(jìn)行了介紹，從發(fā)電電動(dòng)機(jī)線棒端部絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、發(fā)電電動(dòng)機(jī)風(fēng)洞運(yùn)行環(huán)境等方面進(jìn)行了故障原因分析，通過(guò)對(duì)比封閉式絕緣盒、開(kāi)放式絕緣盒及手包絕緣等絕緣結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇手包絕緣作為最后的處理方式，詳細(xì)介紹了手包絕緣處理過(guò)程，并將從故障中吸取的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)進(jìn)行了總結(jié)，為抽水蓄能電站定子線棒端部絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行維護(hù)提供參考。

1 概述

泰山抽水蓄能電站4號(hào)發(fā)電電動(dòng)機(jī)制造商為福伊特-富士公司，采用立軸、半傘式、三相、50Hz、空冷、可逆式、凸極同步發(fā)電電動(dòng)機(jī)，與水泵水輪通過(guò)主軸用連軸螺栓直接把合連接。發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子采用現(xiàn)場(chǎng)疊片、現(xiàn)場(chǎng)下線的整圓疊裝結(jié)構(gòu)，鐵芯采用0.5mm厚的冷軋硅鋼片分層疊壓而成，定子線棒端部電接頭采用三條紫銅塊直角搭焊連接。定子繞組采用雙層疊繞、并聯(lián)星形四分支結(jié)構(gòu)。定子共有312槽，624根線棒，線棒電磁線為聚酯亞胺漆包扁銅線，每根相棒分三股，采用羅貝爾換線，每股各由22根雙排電磁線組成，排間、股間均具有獨(dú)立絕緣，三股線編制組合并膠合一體后，涂刷半導(dǎo)體漆作為內(nèi)均壓層。線棒主絕緣采用環(huán)氧玻璃粉云母、少膠VPI（真空加壓浸漬）工藝制作，絕緣等級(jí)為F級(jí)。發(fā)電電動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 發(fā)電電動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of generator/motor

定子線棒端部同相之間的電接頭不設(shè)絕緣盒，電接頭導(dǎo)體無(wú)任何絕緣防護(hù)，異相之間裝設(shè)開(kāi)放式絕緣盒，絕緣盒進(jìn)風(fēng)側(cè)開(kāi)孔，絕緣盒內(nèi)未填充環(huán)氧樹(shù)脂或石英粉，采用空氣絕緣，如圖1所示。

圖1 線棒端部絕緣結(jié)構(gòu)Fig．1 Opening cap

2015年9月22日20∶39，泰山抽水蓄能電站用SFC拖動(dòng)4號(hào)機(jī)抽水調(diào)相工況啟動(dòng)，當(dāng)升至98%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，機(jī)組95%定子接地保護(hù)、100%定子接地保護(hù)相繼啟動(dòng)（延時(shí)時(shí)間未到?jīng)]有出口），機(jī)組縱差保護(hù)出口，4號(hào)機(jī)電氣跳機(jī)。

故障發(fā)生后，運(yùn)維人員對(duì)發(fā)電機(jī)受損情況進(jìn)行了檢查，發(fā)電機(jī)受損情況（見(jiàn)圖2）如下：定子繞組312～36槽上層線棒下端部存在不同程度的燒傷、電接頭熔化、綁繩燒毀、線棒表面碳化、支持環(huán)燒傷及表面碳化、電接頭扭曲變形等異常現(xiàn)象；定子繞組14、15槽下層線棒下端部電接頭完全燒斷，定子繞組250、25、26、36槽下層線棒下端部端電接頭部分繞組股線燒斷；下端部絕緣盒共燒傷或燒毀48個(gè)，上端部絕緣盒燒毀2個(gè)；轉(zhuǎn)子2～3號(hào)磁極之間阻尼環(huán)發(fā)生向內(nèi)彎曲現(xiàn)象。此外，進(jìn)行轉(zhuǎn)子預(yù)防性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)5號(hào)磁極交流阻抗偏低，為1.012Ω，約為其他磁極交流阻抗值的1/3，推測(cè)5號(hào)磁極內(nèi)部可能發(fā)生了匝間短路。

圖2 發(fā)電機(jī)受損情況Fig．2 Generator damage diagram

2 發(fā)電機(jī)定子短路故障原因分析

2.1 保護(hù)動(dòng)作情況分析

對(duì)故障發(fā)生時(shí)刻保護(hù)動(dòng)作信息進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)100%定子接地保護(hù)、定子縱差保護(hù)、定子匝間短路保護(hù)先后啟動(dòng)，定子匝間短路保護(hù)及定子縱差保護(hù)相繼出口，發(fā)令跳開(kāi)SFC輸入開(kāi)關(guān)、發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)（故障時(shí)尚未合閘）、機(jī)組滅磁開(kāi)關(guān)。保護(hù)動(dòng)作時(shí)序如表2所示。

表2 保護(hù)動(dòng)作時(shí)序表Tab.2 Sequence of protection action

對(duì)故障時(shí)發(fā)電機(jī)出口電壓故障錄波圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)故障前發(fā)電機(jī)三相對(duì)地電壓基本一致，幅值約為13kV，故障發(fā)生時(shí)（Tr），U相電壓幅值降低至約5kV，V相和W相電壓幅值升至約21kV，隨后三相電壓迅速降至0kV，如圖3所示。

圖3 故障時(shí)發(fā)電機(jī)出口電壓錄波圖Fig．3 Fault oscillograph of generator outlet voltage

對(duì)故障時(shí)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電流故障錄波圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)故障前發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)三相電流為正常值，約0.5kA（SFC啟動(dòng)時(shí)機(jī)組定子電流為0.586kA），故障時(shí)中性點(diǎn)U相電流峰值達(dá)到100kA，V相及W相電流峰值約60kA，隨后逐步減小至約12.65kA，經(jīng)過(guò)約1.2s后逐步衰減至零，如圖4所示。保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)滅磁開(kāi)關(guān)后，中性點(diǎn)故障電流一直持續(xù)，主要原因是滅磁開(kāi)關(guān)分閘后，滅磁電阻回路導(dǎo)通，故障電流由發(fā)電機(jī)內(nèi)部提供。

圖4 發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電流錄波圖Fig．4 Fault oscillograph of generator neutral current

本次故障過(guò)程中，由于發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)一直未合閘，因此發(fā)電機(jī)出口三相電流一直約為0.5kA（SFC啟動(dòng)時(shí)正常定子電流值）。

通過(guò)分析故障時(shí)刻保護(hù)動(dòng)作信息、發(fā)電機(jī)故障錄波圖、監(jiān)控系統(tǒng)事件記錄，可以推測(cè)發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障發(fā)展過(guò)程為首先出現(xiàn)U相單相接地，接著迅速發(fā)展為匝間短路、兩相接地短路，最后發(fā)展成三相短路。

2.2 故障初始原因分析

從故障現(xiàn)場(chǎng)檢查情況來(lái)看，位于14、15槽的兩根下層線棒受損最為嚴(yán)重，端部絕緣盒完全燒毀，線棒導(dǎo)體全部燒斷，因此推測(cè)此處為故障始發(fā)點(diǎn)，如圖5所示。

通過(guò)查找發(fā)電機(jī)定子繞線圖，發(fā)現(xiàn)14槽下層線棒為發(fā)電電動(dòng)機(jī)U相臨近出線側(cè)倒數(shù)第二根線棒，此根線棒端部對(duì)地電壓約為8.92kV，15槽下層線棒為發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)W相出線側(cè)最后一根線棒，此根線棒端部對(duì)地電壓約為9.09kV，此兩根線棒之間電壓差約為12.67kV，兩根線棒對(duì)地電壓及線棒間電壓均較高，因此若此處線棒絕緣距離不夠，極易發(fā)生接地故障或相間短路故障。

圖5 定子14、15槽線棒端部受損情況Fig．5 Damage diagram at end of stator bar in slot No．14 and slot No．15

故障發(fā)生后，電站運(yùn)維人員會(huì)同福伊特-富士公司專(zhuān)業(yè)人員對(duì)如下部位絕緣距離進(jìn)行了抽測(cè)：

（1）相鄰線棒端部絕緣結(jié)束端之間的爬電距離約為270mm，大于福伊特-富士公司設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)控制值205mm，測(cè)量示意圖如圖6所示。

圖6 絕緣距離測(cè)量示意圖（一）Fig．6 Schematic diagram of insulation distance measurement（1）

（2）線棒絕緣結(jié)束端對(duì)支持環(huán)固定角鐵之間的爬電距離約為227mm，大于福伊特-富士公司設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)控制值205mm，測(cè)量示意圖如圖7所示。

圖7 絕緣距離測(cè)量示意圖（二）Fig．7 Schematic diagram of insulation distance measurement（2）

（3）相鄰線棒端部絕緣結(jié)束端之間的空氣間隙約為72.2mm，小于福伊特-富士公司設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)控制值100mm，測(cè)量示意圖如圖8所示。

圖8 絕緣距離測(cè)量示意圖（三）Fig．8 Schematic diagram of insulation distance measurement（3）

從上述抽測(cè)結(jié)果可以看出，線棒端部絕緣結(jié)束端對(duì)支持環(huán)固定角鐵的爬電距離僅比設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)控制值大22mm，由于絕緣盒安裝不合格，相鄰線棒絕緣結(jié)束端之間的空氣間隙甚至比設(shè)計(jì)控制值小17.8mm，一旦發(fā)電機(jī)風(fēng)洞內(nèi)部運(yùn)行環(huán)境稍不理想，如空氣濕度過(guò)大、空冷器漏水、線棒端部積灰或沾染油污過(guò)多，都將會(huì)導(dǎo)致絕緣距離進(jìn)一步減小，且由于發(fā)電機(jī)定子端部采用開(kāi)放式絕緣盒設(shè)計(jì)，則定子發(fā)生接地或短路故障的風(fēng)險(xiǎn)將急劇增大。雖然到目前為止，故障發(fā)生的直接原因仍未找到，但從上述分析可以推測(cè)，本次4號(hào)發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子故障根本原因?yàn)榘l(fā)電機(jī)線棒端部絕緣設(shè)計(jì)不合理，防護(hù)較弱所致。開(kāi)放式絕緣盒由于采用敞開(kāi)式設(shè)計(jì)，對(duì)定子線棒、絕緣盒、支持環(huán)及其附件的安裝精度要求很高，對(duì)發(fā)電機(jī)風(fēng)洞內(nèi)部運(yùn)行環(huán)境要求也很高，其本身絕緣強(qiáng)度較環(huán)氧灌膠封閉式絕緣盒差，且由于線棒端部同相之間不設(shè)絕緣盒，導(dǎo)體直接裸露，因此這種設(shè)計(jì)抵御風(fēng)洞不良運(yùn)行環(huán)境的能力較弱。

3 故障處理

由于故障的根本原因?yàn)榘l(fā)電機(jī)定子端部絕緣設(shè)計(jì)不合理，因此對(duì)定子端部絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造成為本次故障處理的重點(diǎn)。針對(duì)上述問(wèn)題共有兩種解決方案。

方案一：將定子繞組端部絕緣改為環(huán)氧灌膠封閉式絕緣盒。優(yōu)點(diǎn)：絕緣強(qiáng)度高、安裝簡(jiǎn)單、施工周期短、施工質(zhì)量易保證；缺點(diǎn)：散熱較差。

方案二：將定子繞組端部絕緣改為手包絕緣。優(yōu)點(diǎn)：絕緣強(qiáng)度高、散熱較封閉式絕緣盒好；缺點(diǎn)：安裝復(fù)雜，對(duì)施工人員技術(shù)水平要求較高、施工周期較長(zhǎng)。

以上兩種方案均可以有效解決開(kāi)放式絕緣盒絕緣強(qiáng)度低、抵御外部不良運(yùn)行環(huán)境弱的缺點(diǎn)，但都面臨著發(fā)電機(jī)端部溫升可能過(guò)高的問(wèn)題，因此必須對(duì)改造后發(fā)電機(jī)端部溫升進(jìn)行分析以決定最終選用何種解決方案。

福伊特-富士公司通過(guò)收集泰山抽水蓄能電站發(fā)電機(jī)風(fēng)洞各種設(shè)備機(jī)構(gòu)、尺寸、風(fēng)道布置情況、材料散熱系數(shù)等建立數(shù)學(xué)模型，通過(guò)CFD進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在發(fā)電電動(dòng)機(jī)空冷器進(jìn)風(fēng)溫度為40℃的情況下，采用封閉式絕緣盒后定子繞組端部絕緣盒內(nèi)最高溫度將會(huì)達(dá)到144℃，超過(guò)設(shè)計(jì)允許的最高溫度值120℃；采用手包絕緣后定子繞組端部最高溫度將達(dá)到115℃，低于設(shè)計(jì)允許的最高溫度值，定子線棒不會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象。

各種絕緣結(jié)構(gòu)下定子繞組最高溫度見(jiàn)圖9。

圖9 各種絕緣結(jié)構(gòu)下定子繞組最高溫度Fig．9 The max temperature at the end of the winding under various insulation structure

綜合以上分析，最終決定采用手包絕緣方式對(duì)發(fā)電機(jī)線棒端部絕緣進(jìn)行改造，將所有絕緣盒全部拆除，改為手包絕緣。手包絕緣工藝流程如下：將云母紙和聚酯帶按670mm×295mm規(guī)格進(jìn)行裁切，各裁切2016張。將裁切好的聚酯薄膜和云母紙按圖10順序進(jìn)行疊放。

圖10 手包絕緣材料疊放順序Fig．10 Stacking sequence of insulating materials

最下一層放置云母紙，然后在其上表面均勻涂刷調(diào)配好的手包絕緣專(zhuān)用樹(shù)脂ISL898.1，再在上面疊放聚酯薄膜帶，重復(fù)上述步驟直到第八層云母紙疊放完畢后，用專(zhuān)用模具切割成型，將其安裝于發(fā)電機(jī)定子繞組端部電接頭處，用玻璃絲帶采用半壓法將手包絕緣材料固定，最后在玻璃絲帶表面均勻涂刷調(diào)配好的手包絕緣表面膠EM849，待表面膠固化后在整個(gè)定子線棒端部及鐵芯表面噴涂絕緣清漆（見(jiàn)圖11）。

圖11 手包絕緣效果圖Fig．11 Hand wrapped insulation

4 改造后效果分析

改造完成后，為了測(cè)量定子線棒端部溫升，根據(jù)福伊特-富士公司建議，在機(jī)坑內(nèi)部通風(fēng)最差的位置選擇5個(gè)區(qū)塊，其中下端部3個(gè)，上端部2個(gè)，每個(gè)區(qū)塊選擇3個(gè)相鄰的電接頭，在每個(gè)電接頭表面粘貼3張量程為49～99℃的感溫測(cè)紙，感溫測(cè)紙粘貼位置示意圖如圖12所示。

圖12 感溫測(cè)紙布置示意圖Fig．12 Schematic diagram of temperature measuring paper layout

在機(jī)組滿負(fù)荷發(fā)電及抽水分別運(yùn)行2小時(shí)后，讀取感溫測(cè)紙讀數(shù)，發(fā)電運(yùn)行2小時(shí)后最高溫度為92℃，抽水運(yùn)行2小時(shí)后最高溫度為98℃，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行線棒端部最高溫度Tab.3 Maximum temperature at the end of the stator bar

可以看出，手包絕緣改造后，機(jī)組在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)定子線棒端部最高溫度沒(méi)有超過(guò)設(shè)計(jì)允許值，線棒端部絕緣強(qiáng)度也有顯著提高，改造效果良好。

5 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

發(fā)電機(jī)端部絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮絕緣距離是否能滿足相應(yīng)電壓等級(jí)絕緣要求，又要兼顧線棒散熱問(wèn)題，泰山抽水蓄能電站由于設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)絕緣距離考慮不夠充分，選用了開(kāi)放式絕緣盒設(shè)計(jì)，當(dāng)風(fēng)洞內(nèi)運(yùn)行環(huán)境惡化時(shí)，有效絕緣距離變短，最終導(dǎo)致了此次事故的發(fā)生。本次故障后，泰山抽水蓄能電站除對(duì)線棒端部進(jìn)行手包絕緣改造外，還對(duì)發(fā)電機(jī)風(fēng)洞環(huán)境進(jìn)行了如下治理：

（1）將發(fā)電機(jī)風(fēng)洞內(nèi)部二次電纜進(jìn)行了整理和固定。將氣隙監(jiān)測(cè)、振擺監(jiān)測(cè)、定子RTD、局放監(jiān)測(cè)等自動(dòng)化元件引出電纜外部的金屬纏繞保護(hù)套用絕緣的PVC保護(hù)套進(jìn)行代替，對(duì)走線進(jìn)行了重新優(yōu)化和固定，防止其脫落搭接在線棒之間造成線棒接地或短路。

（2）將風(fēng)洞內(nèi)部冷卻水供水閥門(mén)及法蘭全部拆除，用焊接的方式進(jìn)行連接，最大限度減小漏點(diǎn)。在風(fēng)洞內(nèi)部最低點(diǎn)裝設(shè)高精度漏水檢測(cè)裝置，一旦檢測(cè)到有漏水立即報(bào)警，并將信號(hào)上傳至監(jiān)控系統(tǒng)。

（3）將內(nèi)風(fēng)洞墻面全部用硅藻泥涂抹，地面用瓷磚敷設(shè)，防止墻面及地面產(chǎn)生粉塵。

（4）對(duì)下導(dǎo)/推力油盆密封進(jìn)行了整治，防止甩油對(duì)定子線棒造成污染。

（5）對(duì)風(fēng)洞內(nèi)所有螺栓進(jìn)行了排查和清點(diǎn)，對(duì)螺栓預(yù)緊力進(jìn)行了復(fù)核并涂抹螺紋鎖固劑，防止螺栓松動(dòng)脫落造成事故。

6 結(jié)束語(yǔ)

發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子線棒端部場(chǎng)強(qiáng)分布極不均勻，電磁環(huán)境復(fù)雜，是事故多發(fā)部位，為了保證發(fā)電電動(dòng)機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)選擇合理的端部絕緣結(jié)構(gòu)，既要兼顧線棒的散熱，又要確保足夠的絕緣強(qiáng)度，在安裝階段要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙施工，確保各部位的絕緣距離滿足廠家設(shè)計(jì)要求，在運(yùn)行維護(hù)階段要加強(qiáng)風(fēng)洞環(huán)境治理，減少漏水、漏油現(xiàn)象，保證線棒端部清潔、干燥，優(yōu)化風(fēng)洞內(nèi)二次電纜布線路徑，避免電纜固定不牢脫落搭接造成短路或接地事故。

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