發電機定子相間短路事故分析及處理

丁 豪，劉惠娟

(1.杭州華電半山發電有限公司，浙江 杭州 310012；2.華電電力科學研究所有限公司，湖北 武漢 430063)

0 引言

某電廠的9號發電機為哈電機公司引進GE公司技術生產制造的全氫冷390H發電機，額定功率397.8 MW，額定功率因數0.85，額定電壓19 kV，額定電流14 221 kA，額定轉速3 000 r/min。其定子繞組接線方式為YYY；勵磁方式靜止勵磁，冷卻方式為定子鐵心氫內冷，定子繞組氫外冷。

1 故障經過

1.1 機組運行狀況

該發電機2013年12月正式移交試生產，2017年4月進行了機組投產后檢查性大修。2019年2月，機組安排了季節性檢查，對發電機進行了電氣預防性試驗。

1.2 事故經過

2019-06-10T07：59，9號發電機突然跳閘，滅磁開關跳閘，系統解列聯跳，MARK IV控制系統報警發電機差動跳閘、發電機定子接地跳閘；至機組電子室，發電機保護屏上顯示發電機比率差動保護動作、差動速斷保護動作。

現場通過窺視窗目視檢查9號發電機出線罩、出線壓變、中性點變壓器室、發電機開關等發電機本體相關設備，均未發現明顯短路跡象，因此需要進一步檢查分析。

2 檢查及修前試驗

2.1 保護屏和故障錄波器檢查

發電機保護為南瑞繼保PCS-985B，查看故障錄波器記錄的故障曲線。

2.2 測溫元件

事故過程中，故障發生時發電機DT-GS-8測溫元件發生壞點，對應為26號槽線圈溫度。

2.3 故障量分析

故障時，機端A相電流為38.03 kA，機端B相電流為49.93 kA，中性點A相電流為84.6 kA，中性點B相電流為73.67 kA；保護裝置錄波顯示情況：機端零序電壓15.13 kV，中性點零序電壓為4.06 kV，故障A相、B相差動電流為8倍額定電流(122.3 kA)，故障跳閘時間為68 ms左右。

PCS-985B兩套保護裝置報告：8 ms比率差動保護動作、8 ms跳閘出口動作、11 ms差動速斷保護動作、20 ms發電機工頻變化量差動動作，77 ms勵磁系統故障聯跳跳閘、1 006 ms定子零序電壓保護動作，9 036 ms控制系統解列聯跳跳閘。通過故障錄波初步判斷為發電機系統出現AB兩相短路。

2.4 試驗檢查

檢修人員拆除發電機出線罩和中性點的連接排，對發電機本體進行分相絕緣和直流電阻試驗，數據見表1，2，3。

表1 發電機直流電阻

表2 發電機本體側絕緣電阻及吸收比

直阻和絕緣試驗數據符合A，B相間短路的故障特征，對地絕緣為高阻接地(大于100 Ω)，符合相間短路發展至兩相接地的故障特征。

表3 發電機出線側絕緣電阻及吸收比

2.5 解體檢查

6月21日，發電機轉子抽出后發現發電機勵端有明顯的故障點，具體在勵端9點鐘處線棒出槽口轉角位置，故障中心最嚴重區域為24～26號槽線棒出槽口轉角位置，其中24號槽上層線棒、25號槽上下層線棒和26號槽下層線棒嚴重燒毀，并波及到相鄰線棒。目視檢查12根下層線棒和21根上層線棒受不同程度受損。定子繞組端部表面以及邊端鐵心表面均有銅渣。6月30日，在拆除24號槽上層線棒后，在25號槽漸開線表面發現一個燒熔變形的φ10金屬墊片。

故障區域定子繞組引線正常，定子邊端鐵心緊度良好，端部波紋板無竄出現象。后續拆解線棒時進一步檢查，層間墊條、槽底墊條無竄出。發電機勵端其他區域正常，但表面受碳粉、銅渣等雜物污染。發電機汽端正常，無磨損和松動現象，但端部波紋板局部有微小移位。

3 原因分析

此次故障區域在勵端24～26號槽上下層線棒出槽口區域，這塊區域下層線棒排列較密，有大量固定綁扎物，空間結構復雜為極不均勻電場，兩點電位差高且路徑最短，一旦發生短路，則會造成嚴重事故。該位置燒毀最為嚴重，與現場檢查情況基本相符。勵端24號上層線棒為A相分支出線側第2根線棒，勵端25號、26號上層線棒各為B相分支出線側第1根線棒、26號下層線棒為B相分支出線側第3根線棒。此4根線棒均為高電位。相間短路時故障相線棒之間的電壓基本上為線電壓19 kV。

此次故障的主要原因是在勵端24～26號線棒出槽口處存在一個φ10鐵制墊片(具體尺寸為內徑10.5 mm，外徑20 mm，厚1 mm）。發電機運行中此墊片受發電機勵端漏磁和風速影響在勵端24～26號線棒出槽口這個窄小空間區域內發熱、振動，破壞了24～26號槽上下層線棒的絕緣，最終造成發電機相間短路。

4 暴露的問題

近年來，新投產的發電機因制造、安裝問題引起發電機異物遺留導致發電機定子接地、相間故障屢有發現。此次故障也暴露出目前缺少技術手段檢測發電機膛內微小金屬遺留物。一旦在發電機定子生產、運輸、安裝階段在某些隱蔽區域遺留微小金屬件，很可能會導致業主單位無法通過現有電氣試驗和目視檢查手段及時發現。

在2017年9號發電機進行了檢查性大修，在定子膛內發現一個M10的螺母，在發電機膛內運行了近4年，導致轉子表面與定子鐵心不同程度磨損。定子鐵心表面磨損較嚴重數量約為18處，各個位置有不同程度發熱現象。

在此次故障前，發電機僅進行過一次解體大修。此次發現的墊片與2017年發現的M10螺母為配套金具，推斷為發電機制造或基建安裝時的遺留物。

在2017年大修時，因發電機發現螺母和膛內鐵心受損進行了發電機高磁通鐵心磁化試驗，發現了兩點溫升故障點并進行了處理。由于勵端線棒出槽口漸開線區域在鐵心試驗中的高磁通衰減嚴重，磁場較弱鐵磁異物不會產生明顯發熱。24～26號槽區域空間結構復雜，目視遮擋嚴重，在發電機交流耐壓試驗前，利用紫外成像儀進行了發電機定子起暈試驗，在該區域未發現光子數有明顯增加。同時，一個厚度僅1 mm的平墊片很難通過目視檢查發現。因此在大修電氣試驗和清理檢修時均未發現該墊片。目前也沒有相應電氣試驗可以在該位置發現類似尺寸的微小金屬異物。

5 處理及防范措施

5.1 處理方案

(1) 目前發電機定子勵端故障經目視檢查發現，故障已造成12根下層線棒和21根上層線棒受不同程度受損。此次故障是哈電機國產化線棒后第一臺發生相間故障的390H發電機，為了保證修復質量和日后的安全運行。經專家評審后確定將發電機上、下層共計144根線棒整體抬出。對受損的線棒進行全部更換，對其他線棒進行返廠重做絕緣。待新線棒和修復后線棒返回到現場后，進行發電機下線、打定子槽楔等發電機線棒回裝工作，恢復上下層線棒連接線重裝絕緣盒。發電機線棒安裝過程中的耐壓試驗按制造廠檢修過程的耐壓值標準進行。整體裝配后按JB/T 6204—2002《高壓交流電機定子線圈及繞組絕緣耐電壓試驗規范》的標準進行交流耐壓試驗。

(2) 對轉子端部進行清理和竄位處理。在現場拔護環對轉子端部進行清理，并對轉子匝間絕緣和金屬彈簧板竄位進行處理。

(3) 對發電機勵端整體固定環等進行緊固。

(4) 對密封瓦及其相關緊固件進行更換處理。

5.2 防范措施

(1) 檢修過程中除仔細清理定子膛內外，打開底部人孔門進行定子鐵心背部檢查等全面排查，同時增加定子膛內窺鏡檢查及磁性材料吸附檢查。

(2) 在檢修過程中加強發電機進出膛檢修工作制度落實，對工具進行編號登記、對進出膛工作人員進出前進行物品、工具檢查核查等工作，保證檢修過程中不遺留異物在發電機內部。