水輪發電機定子繞組故障的特征、診斷及處理

邊宏梁，王立鋒，陳祥福，周高遠

（杭州力源發電設備有限公司，浙江 杭州 311202）

定子繞組故障是水輪發電機的一種常見故障，不僅會影響水輪發電機運行穩定性和可靠性，而且也會降低水輪發電機動作靈敏度和接地保護可行性，甚至會造成水輪發電機出現斷路、短路等故障問題，進而給水電站帶來一定經濟損失。因此，研究水輪發電機定子繞組故障對于預防水輪發電機故障，提高水輪發電機運行穩定性和可靠性具有重要意義。

1 水輪發電機定子繞組故障特征

1）定子繞組斷路是由于接線不牢固或線路故障導致水輪發電機某點線路斷開。造成水輪發電機斷路故障的原因包括以下幾點：①繞組線圈繞線時，線圈高度高于端板內徑或者線圈浸漆時觸碰到模具進而造成斷線故障；②繞組線圈存在脫焊引出線拉斷等情況，造成定子繞組斷路[1]；③繞線穿套管或挑線時，用力過大造成斷線；④繞線裝箱過程中，套管暴露于箱外導致套管被壓住，進而造成斷線；⑤繞組接線過程中，游離漆包線或者在裝機時造成漆包線斷線；⑥繞組接線時，由于人為因素或模具損壞造成塌包，并且裝機時轉子與線棒之間發生摩擦，造成線傷或斷線；⑦繞組脫漆時，漆包線斷線或者繞組漆膜并未完全脫落，造成繞組不通電；⑧定子繞組整形尺寸不符合設計要求，當繞組線棒尺寸較大時，轉子與線棒之間會發生摩擦，導致繞組線棒損壞，進而出現斷路情況。當繞組線棒尺寸過寬時，繞組裝機時也會與機殼發生摩擦造成斷路現象[2]。

2）定子繞組短路故障是由于繞組線圈內部存在絕緣損壞現象，導致繞組無法接通。造成定子繞組短路故障的原因包括以下幾點：①線圈繞線時由于漆包線存在質量問題，導致繞組出現線傷，進而造成短路故障；②繞組線圈接線時，漆包線和引出線連接位置存在裸露導線，或者引出線存在破損現象，導致裸露導線與繞組之間觸碰造成短路；③繞組導線漆膜存在破損情況，進而造成繞組短路；④空氣潮濕導致繞組受潮，使得繞組絕緣性能下降，進而引起短路事故；⑤定子加工過程中存在線傷短路情況，如加工工藝錯誤、定子損傷等。

3）定子繞組擊穿故障是由于繞組線圈電壓過大，造成線路損壞。出現定子繞組擊穿故障的原因包括以下幾點：①定子繞組絕緣保護層存在破損情況，鐵芯和繞組擊穿[3]；②水輪發電機長期受潮，導致定子繞組絕緣性能降低，進而造成定子繞組擊穿；③定子繞組線圈存在游離導線，導線與鐵芯之間發生接觸，進而造成繞組擊穿；④定子繞組電氣間隙較短，造成繞組擊穿。

4）定子繞組反接故障是由于繞組S級與N極接反，導致繞組無法形成磁極回路。定子繞組正確連接方法是不同導線線尾和線尾連接，線頭和線頭連接，當電子繞組出現反接故障時，會造成定子繞組啟動困難。

2 水輪發電機定子繞組故障的診斷

2.1 水輪發電機組概況

某水電站最大裝機容量為1 080 MW，發電機設計年均發電量為2.75 TW·h。該水電站共6臺水輪發電機組，發電機均為密閉式自循環空氣冷卻水輪發電機，發電機結構參數如表1所示。

表1 水輪發電機結構參數

該水電站水輪發電機定子繞組方式為雙層條形波繞組，定子極數為2P=60，槽數為540；支路數為3Y；鐵芯長度為1 850 mm；鐵芯內徑為1 230 mm。發電機定子繞組生產工藝為全模壓一次成形，線棒端頭為銀焊結構，絕緣結構采用灌注膠填充；定子繞組線棒數量為1 080根，共9個分支，36個斜并頭，9個過橋。

2.2 水輪發電機故障過程

水電站4號水輪發電機定子繞組維修前進行交流耐壓試驗過程中，對水輪發電機持續加壓1 min，然后測得工頻耐壓為23.5 kV，4號水輪發電機定子繞組試驗數據如表2所示。當對定子繞組V相分支持續施加電壓至10 kV時，電壓表指針出現歸零情況[4]。將定子繞組試驗電壓歸零后，利用2 500 V和5 000 V電壓表測得定子繞組對地絕緣電阻為0。

表2 4號水輪發電機測試結果

2.3 故障點查找

水輪發電機發生故障時并未出現異常聲音或冒煙等情況，由此可以推斷出，水輪發電機為小范圍故障。為查明故障，將水輪發電機移出機坑位，將水輪發電機上機架進行拆除，觀察定子繞組外觀是否存在損壞情況。經過檢查后發現，定子繞組線棒端部位置不存在異常情況[5]。在對定子繞組進行故障檢查前，對定子繞組V相、W相和U相之路繞組進行了絕緣測試，試驗結果如表3所示。從表中可以看出定子繞組絕緣合格；V1之路絕緣和吸收比均為0。

表3 定子繞組絕緣測試結果

2.3.1 直流降壓法

利用直流降壓法初步判斷定子繞組故障位置，然后利用直流電阻儀測試定子繞組V相和中性點對地電阻，測量電流為5 A，經過測試后得出V相1分支電阻為150.42 MΩ，對地電阻為69.56 MΩ。結合歐姆定律和定子線棒接線結構以及測試結果，初步判斷定子繞組故障位置在91~95槽內位置，同時判斷其故障情況為金屬接地故障[6]。

2.3.2 直流高壓間隙放電法

在確定水輪發電機定子繞組故障范圍后，采用直流高壓間隙放電法明確定子繞組故障位置。首先利用50 kV耐壓裝置對V相進行電流試驗，測試過程中時刻觀察91~95槽放電情況。試驗過程中，將電壓提升至3 kV時，定子繞組93槽出現放電聲音，經過仔細觀察后發現，93槽線棒下端與鐵芯相接位置存在電火花，并且有放電聲音，由此可以推斷，定子繞組故障位置為93槽線棒下端位置[7]。將93槽線棒拔出后發現定子鐵芯沖片存在溢出情況，并且絕緣層已經被損壞。

2.4 發現問題

從93槽線棒故障情況來看，定子繞組線棒絕緣損壞應該為大面積、連續故障，將所有定子線棒拔出后對鐵芯進行整體檢查，主要發現以下問題：500槽定子鐵芯沖片存在溢出情況；大部分定子鐵芯安裝不牢固，并且存在波浪超標等情況；定子鐵芯硅鋼片存在彎曲變形情況，并且水平度超標。

2.5 故障原因分析

針對以上故障問題，結合多年水輪發電機運行工況和設計圖紙，推斷造成水輪發電機定子繞組故障的原因包括以下幾點：1）定子鐵芯壓緊方式不合理，鐵芯后端采用拉緊螺桿壓緊方法，該方法無法均勻、完全、緊固地將定子沖片壓緊[8]；2）水輪發電機啟動和停止操作頻繁，由于該水電站為電網調峰機組，電網負荷會影響水輪機運行時間，因此該水電站頻繁啟動和停止操作導致設備運行性能下降；3）水輪機啟動時間短，該水電站水輪發電機2 min~5 min即可滿負荷，因此啟動時間較短，發電機風動溫度提升幅度較大，導致定子繞組鐵芯溫度變化較快，由于定子繞組鐵芯長期處于溫度不均勻環境中，造成定子鐵芯出現變形情況；4）定子鐵芯安裝過程中壓緊不到位，通常情況下，定子鐵芯需要壓緊3次后進行總壓，如果鐵芯壓緊不到位則會導致鐵芯出現沖片溢出、硅鋼片彎曲和疊片不緊等情況。

3 水輪發電機定子繞組故障的處理

3.1 接地處理

1）修復鐵棒，對定子線棒絕緣破損位置進行修復，對于破損程度不嚴重的定子線棒采用現場處理方式，對于絕緣破損嚴重的定子線棒采用更新線棒或返廠維修等措施。2）重新拉緊錯位螺桿，確保定子鐵芯水平度、波浪度符合設計要求。首先將定子鐵芯螺桿上的螺母取下，然后才能夠從不同方向壓緊鐵芯，確保鐵芯的裝壓緊度。同時根據定子繞組鐵芯設計要求，將螺母焊接在拉緊螺桿上，避免鐵芯出現松動情況；其次根據測量標記點測量定子鐵芯波浪度和高度，比對分析定子鐵芯壓緊前后數據，檢查鐵芯壓緊效果，并利用緊量工作檢查鐵芯沖片緊量，確保其推入深度不超過3 mm[9]。3）清理鐵芯，對故障鐵芯進行平整處理，并清理鐵芯槽。利用銼刀將凸起部位打磨平整，保持階梯面和槽底平整，同時將鐵芯槽毛刺等清理干凈。4）將定子鐵芯下端損壞位置進行修復，并按照設計圖紙為鐵芯安裝擋板，具體安裝方法如下：首先，選取1塊鐵板，將其加工為與鐵芯弧度一致的工件，并將其作為磁力段鉆吸座；其次，根據螺栓孔洞打樣沖眼找正，并將磁力鉆固定于墊板上；最后，在定子鐵芯下端部安裝墊塊。5）對清理后的定子鐵芯進行鐵損試驗，檢查鐵芯修挫位置溫度變化情況。6）按照水電站水輪發電機定子安裝工藝將線棒下線，然后對線棒進行電氣試驗，測試維修完成的定子繞組絕緣情況，以保證維修效果。

3.2 定子繞組故障預防措施

1）利用智能監測系統實時監測水輪機運行情況，如果水輪機存在故障問題，需要及時停止運行進行檢修，避免出現水輪機帶病復役情況。2）利用塑料布或防雨布將水輪機進行遮蓋，避免灰塵、異物或水汽等進入發電機組造成定子繞組損壞。3）水輪機檢測過程中如果環境濕度較大，則需要降低空氣濕度，避免定子繞組出現二次損壞。4）優化水輪機檢修工序，盡量減少水輪發電機機架蓋板開啟次數，防止濕氣進入設備內部。5）在水輪發電機運行過程中，需要嚴格控制水輪機定子繞組溫度和水輪機入口風溫，避免出現定子繞組超溫等情況。在水輪發電機維修過程中需要徹底清理水輪發電機鐵芯風道和定子線棒，避免影響定子繞組和水輪發電機散熱效率，同時也有利于減緩定子繞組絕緣老化速度[10]。6）在采購水輪發電機設備時需要嚴格把關設備質量和性能，并在水輪發電機運行過程中盡量減少頻繁大幅度增減負荷，同時積極處理水輪發電機諧波分量。7）在水輪發電機運行時應及時處理發電機供電壓力，防止水源進入發電機內部，如果水源進入發電機內部則需要及時清潔鐵芯、通風孔等，并檢查定子繞組線棒腐蝕浸漬等情況，同時重點檢查定子繞組線棒絕緣情況，必要時需要進行絕緣測試。

4 結論

綜上所述，本研究闡述了水輪發電機常見故障特征，以某水電站為例，根據4號水輪發電機故障問題，對水輪發電機具體故障問題進行了診斷，并分析了水輪發電機故障問題形成原因，利用直流降壓法和直流高壓間隙放電法確定了4號水輪發電機存在絕緣擊穿故障問題，定子線棒絕緣層有大面積磨損；鐵芯槽存在一定程度溢出情況；定子鐵芯波浪度超標；定子鐵芯硅鋼片有彎曲變形現象。針對以上問題，采用修復定子線棒、重新拉緊螺桿、清理鐵芯、修復鐵芯等措施解決水輪發電機絕緣擊穿故障問題。同時采用水輪發電機故障預防措施能夠有效避免水輪發電機定子繞組出現故障的情況，有利于提高水輪發電機運行穩定性和安全性。