某電廠水輪發電機定子相間短路故障分析與處理

陳東君

（廣東能源集團（云浮）蓄能發電有限公司，廣東 新興 527400）

0 前言

發電機定子相間短路故障作為發電機本體故障中發生頻率較高的故障類型，其發生時往往伴隨著極高的短路電流，會對發電機定子造成不同程度的損壞，甚至可能損壞發電機轉子，非常值得我們關注。

2019 年9 月8 日17：10：37，某電廠1 號發電機本體B、C 相故障，1 號發電機差動保護動作跳開1 號發電機出口501 開關和滅磁開關，甩負荷36 MW。最終查明在靠近引線定子的R 區域，B 相和相鄰的C 相各有一根上層線棒端部漸開線出現電磁線燒熔現象。

1 主接線及發電機情況介紹

該電廠主接線為兩機一變擴大單元接線，發電機機端電壓10.5 kV，機端、主變壓器高、低壓側均配有斷路器，發電機保護和主變壓器保護獨立配置，并配有10.5 kV 母線保護，發電機差動保護與10.5 kV母線差動保護的保護范圍交叉，無死區。

1 號發電機為東方電機有限公司二十世紀七十年代產品，于2013 年進行了增容改造，由36 MW 增容至42 MW，增容后發電機型號為SF42-40/7250，之后每年開展一次小修，故障發生之前的小修時間為2018 年11 月，小修之后一直運行良好，2019 年7 月發生過因冷卻水管漏水造成的轉子一點接地故障。

2 保護動作情況

該電廠1 號發電機保護為國電南京自動化股份有限公司DGT801C 型微機保護，1 號發電機出口501 開關操作箱為國電南京自動化股份有限公司LY-31 三相單跳操作箱。故障發生時，1 號發電機差動保護出口信號指示燈亮，1 號發電機差動保護出口跳閘指示燈亮，1 號發電機出口501 開關操作箱保護跳閘指示燈亮；1 號發電機保護報“發電機差動保護動作”報文，相別為B、C 相；計算機監控系統報“1 號發電機差動保護動作”、“1 號發電機保護跳閘動作”“1 號發電機出口501 開關跳閘”、“1 號發電機滅磁開關跳閘”等報文。

除1 號發電機保護動作，無其他保護裝置動作。

3 保護動作行為分析

1 號發電機差動保護定值為：啟動電流0.905 A，拐點電流3.02 A，速斷電流倍數5 倍（即3.77 A×5=18.85 A），額定電流3.77 A，比率差動系數0.3。

1 號發電機差動保護動作結果為：出口跳1 號發電機出口501 開關和滅磁開關。

根據故障錄波器錄波圖1，可見1 號發電機兩側（中性點與機端）電流波形呈現出：A 相兩側波形方向相同，B、C 相兩側波形方向相反，相位差180°。

圖1 故障錄波圖-電流

保護動作瞬間電流有效值情況如下：

機端側電流IA=10.241 A，IB=30.685 A，IC=40.213 A。

中性點側電流IA=10.282 A，IB=32.100 A，IC=22.034 A。

則A 相差流為0.041 A，B 相差流為62.785 A，C 相差流為62.247 A。

可見保護動作時，B、C 相差流均大于差動速斷段電流定值18.85 A。

差動保護速斷段出口跳閘。保護動作正確。

發電機中性點高阻接地，根據故障錄波器錄波圖2，非故障相A 相電壓升高，故障相B、C 相電壓降低，結合故障錄波器錄波圖1，故障類型為B、C兩相短路接地。

圖2 故障錄波圖-電壓

圖3 定子線棒損壞情況

因1 號發電機保護裝置動作報文只提供保護動作絕對時間，不提供保護動作時間，根據故障錄波器錄波圖，從錄波器啟動錄波到接收到1 號發電機差動保護動作信號時間差為19 ms，該時間為故障電流未達到1 號發電機差動保護動作定值時間、保護動作時間與保護動作信號繼電器動作時間之和，保護動作時間正確。

根據故障錄波器錄波圖，從錄波器啟動錄波到1 號發電機出口501 開關變位信號（故障電流同步消失）時間差約為70 ms，該時間為故障電流未達到1 號發電機差動保護動作定值時間、保護動作時間、開關動作時間與開關輔助觸點動作時間之和，可見開關本體跳閘動作時間約50 ms，開關本體跳閘動作時間正確。

其他后備保護時間定值均大于70 ms，未到達動作延時，正確不動作。

4 故障檢查及原因分析

1 號發電機事故停機后，檢查發電機中性點及機端引出線，均無異常；檢查發電機風洞，打開有少量煙逸出，結合發電機保護動作情況為發電機差動保護動作，分析為發電機本體故障。

拆開1 號發電機上擋風板發現在靠近引線R區域，B 相和相鄰的C 相各有一根上層線棒（B 相：96 號線棒，C 相：95 號線棒）端部漸開線出現電磁線燒熔現象（線棒主絕緣高溫碳化）。

檢查故障發生前幾天定子各測點溫度曲線，均正常。根據故障錄波器錄波圖和故障現場情況，分析造成此次事件的原因可能有兩種：

（1）故障始發原因為B、C 相間（95 號、96 號線棒處）有金屬異物，該異物長期搭接95 號、96 號線棒在磁場中，導致95 號、96 號線棒的主絕緣發生電老化、熱老化，進而絕緣強度逐漸下降，直至在本次同時被擊穿。由于短路電流巨大，95 號、96 號槽的銅條也被燒毀、斷股，現場未能直接發現異物殘渣。

（2）1 號機組曾在2019 年7 月6 日發生過轉子一點接地報警。事后檢查發現，由于上導供水管有砂眼漏水到轉子機架上，機組轉動時漏水四濺，轉子和定子不同程度受潮，從而導致轉子一點接地報警。本次故障點發生在定子繞組上端部綁帶固定線棒的端箍位置。故障的原因可能是由于故障點區域的綁帶松動，機組長時間滿負荷運行時，機組振動造成B、C 相綁帶與端箍磨損。加之轉子一點接地故障發生之前，可能有部分水已甩至故障點區域，在水的作用下加速其主絕緣老化，95 號、96 號線棒的主絕緣強度逐漸下降，直至本次同時被擊穿。

5 故障處理和試驗

經過檢查，本次發電機定子短路故障未對發電機轉子造成損壞，所以只需對定子進行處理。由于故障處理工期較為緊迫，采取由發電機生產廠家在現場對定子進行修復的處理方式，具體如下：

（1）清掃兩支線棒附近區域的繞組，確保無金屬和碳化異物。

（2）檢查繞組端部絕緣外觀，確保無其他明顯的損傷。

（3）通過火焰加熱的方式分別將兩支接地線棒的兩匝線圈下端并頭（每相2 個，共4 個）塊燙開，清掃和打磨槽內線棒的引線頭。

（4）清掃工作區域繞組端部，對繞組進行絕緣電阻試驗，應合格。

（5）對接地的線棒和燙開的絕緣頭進行絕緣隔離處理，然后對槽內剩余繞組進行交流耐壓試驗，試驗電壓為0.8×（2 Un+3 kV），持續時間1 min。

（6）耐壓試驗合格后，在繞組下端焊接短接銅排。現場制作短路銅排，銅排截面為22.4 mm×42.5 mm，銅排長度為4 m，現場根據時間情況進行切割和熱彎。現場制作10 mm×40 mm×100 mm 的搭接銅板，數量為8 件。

（7）對短接銅排、接頭以及上端敲掉絕緣盒的并頭塊進行絕緣包扎，包扎銅排同線棒間的接頭前，需打磨定子線棒引線頭部位的絕緣，新絕緣同舊絕緣搭接長度不小于40 mm。

（8）對線棒絕緣破損處和引線頭進行絕緣包扎，包扎層數為8 層。

（9）待包扎絕緣室溫固化（一般為24 h），測量定子繞組的絕緣電阻。

（10）絕緣電阻合格后，對定子繞組分相進行2.5 Un 直流耐壓和泄漏電流試驗，試驗電壓按每級0.5 Un 逐步升壓，直至2.5 Un 最高試驗電壓，每階段停留1 min，讀取泄漏電流值。要求泄漏電流不隨時間延長而增大，各相泄漏電流之差不大于最小泄漏電流的100%（在2.5 Un 最高試驗電壓下）。

（11）繞組直流耐壓試驗合格后，對定子繞組分相進行1.5 Un、持續1 min 的工頻交流耐壓試驗。

（12）對包扎絕緣進行加熱固化，加熱溫度約為60℃。

（13）對處理區域的定子繞組端部噴涂紅瓷漆。

因當時水庫水位較低，不具備連續帶負荷試運行的條件，處理完成，恢復安全措施后，只進行了空載試驗，機組空載運行正常，10 月份具備帶負荷條件后，分別帶25 MW、30 MW、36 MW 運行4 h 以上，觀察并記錄機組運行的各項數據，均正常。采取在原故障線棒更換前，最多帶36 MW 負荷的運行方式，并加強對該機組的運行監視。2020 年9 月該機組大修時，對該處定子線棒進行了更換和試驗，至今運行正常。

6 防范對策

由于短路瞬間電弧產生巨大的熱量，從殘渣中難以判斷故障的直接原因，只能針對可能存在的原因做好后續的防范措施，其實也是正常應該做到的檢修和維護措施。

（1）利用好每年的機組小修，結合機組運行情況和試驗周期，認真做好每年機組的預防性試驗，且試驗結果要與歷次試驗結果及出廠試驗結果相比較，發現異常要尋根究底，并及時處理。

（2）機組大、小修期間，重要檢修現場(如發電機風洞、水導油盆等處)應建立嚴格的出入審批制度，嚴格監控帶入和帶出的物品和工器具。

（3）機組檢修時，要求必須打開發電機兩側端蓋，認真檢查發電機定子端部繞組、墊塊、綁繩等有無異物、有無松動、脫落現象，并制定表格逐一簽字確認。

（4）機組檢修結束檢查時，要求對發電機定子、轉子、大軸、滑環、風洞、水車室等重點部位加強檢查，確保無遺留工器具、無異物存在，此內容列入機組檢修啟動試驗方案中開機前全面檢查項目表格，檢查人、復查人需逐一簽字確認。

（5）定期校驗發電機保護裝置，并做好保護裝置的日常巡檢工作，確保發電機保護正常、有效，在發生故障時，保護裝置能夠正確動作，可靠而靈敏地切除故障，縮小故障范圍，降低損失。

（6）日常運維過程中運用好機組的振擺保護裝置，加強對機組各處振動、擺度、壓力脈動等數據的監視；并考慮增加機組狀態監測裝置，監視機組局放、空氣間隙、磁場強度、噪聲等。

（7）加強對機組溫度、電壓、電流的監視，利用計算機監控系統和故障錄波裝置，監視各數據和曲線是否正常；結合機組運行狀態，對各模擬量曲線進行同工況對比，觀察有無異常情況。

參考文獻：

[1] 國電南京自動化股份有限公司．DGT801 系列數字式發電機變壓器組保護裝置技術說明書[Z] ，2010．

[2] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局．水輪發電機組安裝技術規范：GB/T 8546-2003[S]．

[3] 中華人民共和國電力工業部．電力設備預防性試驗規程：DL/T 596-1996[S]．