水輪發電機定子繞組單相接地故障位置查找及原因分析

楊桂周，李聲寶

（東芝水電設備（杭州）有限公司，浙江 杭州310020）

0 前言

水輪發電機定子繞組單相接地是水輪發電機常見的一種故障。發電機在運行過程中，可能引起定子繞組絕緣擊穿對地短路故障的原因很多，例如，制造時定子線棒絕緣存在局部缺陷；安裝過程中損傷了定子繞組主絕緣；安裝或檢修過程中有導磁性金屬異物遺留在定子繞組端部；運行中定子繞組上方零件脫落掉在定子繞組端部；定子繞組絕緣老化、受潮造成定子繞組絕緣在運行電壓或過電壓下被擊穿等。本文結合某電站定子繞組單相接地點的查找過程，介紹了幾種查找故障位置的方法，為類似事故的處理提供參考。

1 事故發電機基本參數

發電機基本參數見表1。

表1 發電機基本參數

定子繞組接線方式略圖如圖1所示。

圖1 定子繞組接線略圖

定子繞組為雙層條式波繞組、2支路星形連接、F級絕緣，定子線棒采用真空液壓多膠絕緣工藝，又稱VPR工藝。

2 事故概況

該機組帶25%左右負載運行時，定子接地故障信號報警導致甩負荷停機。停機后將該機組進行了隔離，檢查核對保護A柜故障信號(Alam-sen-MAM20 Hz-Sta)，20 Hz注入式定子接地故障信號一直未能復歸，斷開中性點接地開關、將PT柜搖出，用2 500 V兆歐表在中性點側測量定子繞組絕緣電阻為零，調整兆歐表檔位至500 V測量絕緣電阻仍為零。隨即，對定子匯流母線、定子繞組端部、端箍等位置進行了目測檢查，未發現有明顯的放電接地點。

之后，拆除了機端出口母線與封閉母線的軟連接，以及中性點母線與中性點裝置的連接螺栓，用2 500 V兆歐表分段對定子繞組、封閉母線、中性點裝置進行了絕緣電阻測量，測量結果如表2所示。

由表2可知，定子繞組V相對地絕緣電阻為0，即可判定定子繞組V相發生接地故障。

表2 各部分絕緣電阻測量

3 接地故障位置查找方案

通常，單相接地故障位置查找有直流電壓分擔法、直流加壓法、鉗形電流表法、交流加壓法、電流燒穿法等[1-3]，以下詳細介紹3種利用電站常用設備進行故障位置查找的方法。

3.1 直流電壓分擔法

一般用于接地電阻值較小的金屬性接地，主要設備有直流恒流源、電壓表或直流電阻測試儀，測試原理圖如圖2所示。

圖2 直流測試原理圖

測試時，將機端連接點、中性點連接點斷開，并施加一定的直流源，分別測量機端、中性點對地電壓U1、U2，將電壓比轉化成匝數比，如下式：

其中：N1、N2分別為從機端、中性點開始至接地位置的線棒串聯根數。

根據匝數比，在引線較長的場合，需去除由于引線和匯流母線的長度不同而產生的影響，再結合定子繞組接線圖便可大致確定接地點的位置。

3.2 直流加壓法

通常用于接地電阻值相對較高的非金屬性接地，主要設備為5 000 V絕緣電阻表，接線原理圖與直流耐電壓試驗一致。

測試時，用絕緣電阻表給無故障相進行充電，并在定子繞組端部各處安排人員監視，待充滿電之后，對故障相進行放電，此時故障點會發出聲音且伴有火花產生，通過聲音和火花即可判斷放電位置，但此方法需要工作人員較多，對環境要求也比較高，需要現場安靜且關閉照明電源，在晚上進行效果更佳。

3.3 鉗形電流表法

適合用于定子繞組支路多、分解困難的情況下，主要設備有兆歐表、交流調壓器、鉗形電流表（根據定子線棒截面大小可能需改裝）。測試原理圖如圖3所示。

圖3 鉗形電流表測試原理圖

測試時，將鉗形電流表置于其中一個支路的線棒上，然后對故障相施加交流電壓，通過調壓器逐漸升高輸出電壓，當鉗形電流表讀數達到幾十mA即可，保持電壓不變，再測量其他支路的電流，電流大的支路即可以判斷為故障支路。

同樣的方法對故障支路的單根線棒進行電流測量，此時電流表只需要顯示讀數即可，檢測到電流為零的那根線棒即為故障線棒。

4 事故發電機故障位置查找方案選擇及應用

該電站定子繞組為2支路，且分解方便；V相對地絕緣電阻為零，屬于金屬性接地；推薦采用直流電壓分擔法或鉗形電流表法。

考慮現場條件后，采用了直流電壓分擔法，根據圖2測試原理圖分別為V相的兩個支路通10 A直流電流，測量各部分電壓，結果如表3所示。

由表3可知，第二支路出現了分壓現象，即可判斷此支路為故障支路。

表3 直流電壓分擔法測量數據1

其中，N為每相每支路串聯線棒根數：90。

去除匯流母線長度影響后，初步判斷接地位置應在從機端開始數第42根線棒附近，考慮測量誤差分別取其前后兩根線棒范圍作為重點檢查對象，接地可能的線棒所在槽位置如表4所示。

表4 從機端開始至接地線棒可能的位置

將此5根線棒對應位置的擋風板拆除后，發現第43根線棒（176槽）上層線棒在距離鐵心端部80 mm左右處有一個被碳化的凹坑，此處為接地點的可能性很大。為確定此處是否為接地點，將碳化層進行清理后（處理后已有金屬銅露出），用500 V兆歐表再次對故障支路進行絕緣電阻測量，仍然為零，由于擊穿點距離鐵心端部仍有一段距離，應該存在一定的絕緣電阻值，懷疑此處可能不是唯一的接地點。

因此，再次利用直流電壓分擔法通10 A直流電流從漏銅點分別對機端和中性點進行電壓測量，結果如表5所示。

表5 直流電壓分擔法測量數據2

由表5可知，由于沒有出現分壓現象，基本可以確定接地位置為176槽上層線棒凹坑處。將碳化層清理后，由于絕緣電阻仍為零，凹坑邊緣可能還有垂直于主絕緣層向的擊穿點，為了確定修復方案，需進一步確認是否還有其他擊穿點，將凹坑處一定范圍內低阻防暈層剝離后，測量其對地絕緣電阻達到1.26 GΩ，剝離范圍如圖4虛線范圍。綜上，可以確定接地點僅此一處且其邊緣不存在層向擊穿。

圖4 低阻防暈層剝離范圍

5 事故發電機線棒接地位置處理

由于清除碳化層還有較高的對地絕緣電阻，同時接地點距離鐵心還有一段距離，此時處理方案有2種。

（1）作為臨時性處理方案，可將擊穿點附近的絕緣修理后涂刷環氧膠，用云母膩子將凹坑填平，再包繞適當層數的云母帶進行絕緣補強，最后涂刷防暈漆進行防暈處理。但臨時處理方案存在短時間內再次擊穿的風險。

(2）作為永久性處理方案，即更換線棒。

最終經過綜合考慮，決定對接地線棒進行更換處理。

6 事故發電機接地原因分析

定子繞組單相接地作為定子繞組短路故障中常見故障之一，其引起的原因有很多，就該電站而言，根據受損部位形態，該部位是線棒止沉塊位置，可以存留遺落的異物，線棒表面呈現較大直徑的燒損凹坑，符合絕緣長時間受到磁性金屬物質反復“感應高溫—電磁振動摩擦—絕緣逐步受損”的特征。

如果有磁性金屬異物附著在定子線棒上，機組運行過程中，附著物會發生電磁振動并伴隨電磁感應而發熱，進而導致絕緣逐漸損壞。線棒端部磁場強度很高，當表面有磁性金屬異物附著時，根據異物大小和通過線棒電流不同，磁性異物受感應加熱后，溫度可達300℃以上，在高溫和振動摩擦同時作用下，線棒絕緣會因逐漸受損而最終導致擊穿。

7 結語

（1）本文介紹了一些利用電站常用設備查找定子繞組單相接地故障位置的方法，具有較高的可操作性。

（2）當發電機發生單相接地故障時，應首先分段確認哪一部分發生接地（匯流母線、中性點設備、定子繞組），如判定為定子繞組接地，則需先找出故障支路，利用兆歐表，通過測量接地絕緣電阻確認是金屬性接地還是非金屬性接地，再根據接地性質選擇合適的查找方法。根據定子繞組的接線方式以及接地性質的不同，可能需要將上述幾種方式互相結合，靈活運用，才可快速的找出故障位置。

（3）發生定子繞組接地故障，會給電站造成較大的經濟損失，為盡可能減少及避免類似事故引起的損失，必須做好預防措施。例如，定子繞組下線時應嚴格按照作業指導書作業；下線后應對定子繞組端部進行點檢，確保沒有磁性異物落入其端部；按照DL/T596-1996電力設備預防性試驗規程的規定進行定期檢查維護，同時還應確認定子繞組端部上方螺栓等連接件沒有松動，以免脫落等。

希望本文介紹的幾種查找方法可以為處理類似故障提供一定的幫助，盡可能為電站減少經濟損失。