邵 永 斌

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

0 前言

1 定子繞組擊穿的原因

隨著我國(guó)機(jī)電制備技術(shù)的不斷改進(jìn)，發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量也不斷提高。大型發(fā)電機(jī)是電力系統(tǒng)中最重要的主設(shè)備之一，大型發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障導(dǎo)致無法運(yùn)行，將會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的后果。發(fā)電機(jī)損壞事故中有將近 50%是由定子繞組絕緣損壞引起的。定子繞組單相接地故障是發(fā)電機(jī)最常見的一種故障，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀定子繞組和鐵心，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

本文通過實(shí)例介紹出現(xiàn)故障的原因， 便于電廠在運(yùn)行維護(hù)時(shí)采取切實(shí)可行的預(yù)防和控制措施，防止事故擴(kuò)大，提高事故分析的正確性[1]。

1.1 安裝工藝的影響

工藝操作過程會(huì)影響電機(jī)安裝質(zhì)量。四川某電站20kV等級(jí)的發(fā)電機(jī)下層線棒，耐壓試驗(yàn)時(shí)，多次在52kV下出現(xiàn)繞組下端放電現(xiàn)象，導(dǎo)致耐壓試驗(yàn)無法進(jìn)行。繞組端部清理完表面后，在復(fù)檢過程中發(fā)現(xiàn)，端部仍然存在半導(dǎo)體硅橡膠顆粒（如圖1(a)所示）。半導(dǎo)體硅橡膠顆粒是耐壓試驗(yàn)放電的主要原因。經(jīng)過安裝公司技術(shù)人員仔細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)槽口處溢出的半導(dǎo)體硅橡膠顆粒很容易脫落到端部表面，這就是端部繞組表面始終存在硅橡膠顆粒的原因。全面清理定子繞組槽口、端部表面硅橡膠顆粒，再進(jìn)行耐壓試驗(yàn)時(shí)，沒有出現(xiàn)放電現(xiàn)象，耐壓試驗(yàn)順利通過。

定子繞組表面尖角毛刺沒有清理干凈，由于繞組表面電位較高，在高場(chǎng)強(qiáng)作用下，電荷容易集中到表面尖端部位，引起放電。在定子線棒下線過程中，如果不按工藝要求操作，或操作人員沒有認(rèn)識(shí)到繞組表面保持平整的重要性，往往會(huì)造成繞組表面尖角毛刺清理不干凈，繞組表面容易產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象（如圖1(b)所示），不斷腐蝕絕緣層，最終會(huì)縮短線棒主絕緣使用壽命。

圖 1

2013年8月，四川某電站5號(hào)機(jī)組。已經(jīng)安裝完轉(zhuǎn)子、上機(jī)架，在試驗(yàn)過程中，上機(jī)架蓋板的固定螺栓脫落到上端鐵心槽口處，劃傷6根上層線棒主絕緣層（如圖1(c)所示）、2根上層線棒引出線部位絕緣層。由于沒有按照?qǐng)D紙要求操作，致使螺栓固定時(shí)沒有鎖住。在機(jī)組試驗(yàn)過程中，螺栓脫落，劃傷繞組絕緣層，使機(jī)組無法進(jìn)行下序試驗(yàn)，影響了正常的生產(chǎn)進(jìn)度。

1.2 附屬設(shè)備的故障

機(jī)組一些附屬設(shè)備，在檢修期間需要進(jìn)行仔細(xì)檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除隱患。如果設(shè)備超過使用年限，需要及時(shí)更新。

廣西某電站1995年投產(chǎn)的18kV/220MW發(fā)電機(jī)，2013年6月，機(jī)組發(fā)生定子線棒下端絕緣盒擊穿事故。4號(hào)機(jī)下層槽號(hào)124、140、144、149線棒，其下端的絕緣盒放電，露出裸銅線。放電原因是機(jī)組的冷卻器管路漏水（如圖2(a)所示），漏水量較大，水流順著壓指板流到絕緣盒上，降低了絕緣盒的絕緣性能，致使絕緣盒對(duì)地?fù)舸?。流到絕緣盒表面的水量較多，并混有灰塵油污等雜質(zhì)，絕緣盒表面存在的雜質(zhì)及水分造成絕緣盒表面電場(chǎng)畸變，引起絕緣盒沿面放電，同時(shí)在交流電場(chǎng)和水分的作用下，絕緣材料發(fā)生降解，直到絕緣盒的絕緣性能降低承受不住閃絡(luò)擊穿，瞬間發(fā)生了絕緣盒對(duì)地?fù)舸?/p>

圖 2

2010年12月，廣西某水電站地下電站爆破時(shí)山體積留的水流到廠房?jī)?nèi)，直接流到機(jī)組內(nèi)。由于下端絕緣盒灌注膠有裂紋，水滲進(jìn)去后引起上下層線棒接頭的連接塊處放電，放電處不但燒毀線棒的導(dǎo)線，還把附近的線棒絕緣燒毀。2013年07月，瀾滄江某水電站由于空冷器波紋管（如圖 2(b)所示）破裂，風(fēng)洞內(nèi)的積水在基坑內(nèi)循環(huán)風(fēng)的作用下，噴灑到發(fā)電機(jī)定子繞組的下端部，進(jìn)而形成了相對(duì)地、相間短路，燒損了局部線棒接頭。

1.3 手包絕緣不良

國(guó)產(chǎn) 200MW 汽輪發(fā)電機(jī)出現(xiàn)過明顯的相間短路事故，易發(fā)生相間短路的部位有：定子繞組端部的引線手包絕緣、引線手包絕緣與異相線棒接頭之間及汽側(cè)端部高電位異相接頭之間。相間短路原因如下[2]：1）手包絕緣沒有固化成一體，絕緣層之間有空隙，油污，水汽容易順著空隙進(jìn)入絕緣層與導(dǎo)線之間的界面，減弱了絕緣性能；2）繞組端部固定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，在交變電磁力和熱應(yīng)力作用下，線棒與固定件之間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移，磨損主絕緣。

1.4 存在異物

發(fā)電機(jī)在安裝或大修期間，鋸條頭、螺釘、焊渣、鐵絲頭、金屬條等異物遺落在機(jī)組內(nèi)，會(huì)引起機(jī)組擊穿事故。機(jī)組內(nèi)遺留金屬異物的主要原因就是操作工藝執(zhí)行不力、檢查驗(yàn)收不到位、操作者工作不細(xì)致。2009年 5月貴州某電站在進(jìn)行 4號(hào)發(fā)電機(jī)（15.75kV/25MW）交接試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)定子三相泄漏電流不平衡，C相泄漏電流偏大，交流耐壓試驗(yàn)順利通過。當(dāng)時(shí)分析認(rèn)為是因?yàn)槭职^緣或絕緣盒灌注膠固化和干燥程度不夠，不影響機(jī)組運(yùn)行，最終投入運(yùn)行。投運(yùn)后的歷次檢修中做直流耐壓試驗(yàn)時(shí)C相泄漏電流仍然偏大。2010年大修時(shí)曾請(qǐng)某電力試驗(yàn)研究院通過試驗(yàn)查找C相泄漏電流偏大的原因，但未查找到。2012年6月4號(hào)機(jī)組C相發(fā)生相間短路事故，由于定子線棒短路點(diǎn)已燒損（如圖3所示）且未發(fā)現(xiàn)異物撞擊定子線棒痕跡，無法準(zhǔn)確鑒定事故的直接原因。經(jīng)分析認(rèn)為：線棒絕緣層存在缺陷的幾率較??；拆開部分擋風(fēng)板后發(fā)現(xiàn)有幾處線棒端部表面有半導(dǎo)體雜物（硅橡膠殘留痕跡），在定子線棒下線時(shí)，槽內(nèi)半導(dǎo)體硅橡膠流出后未及時(shí)清理干凈，半導(dǎo)體硅橡膠容易導(dǎo)致線棒表面放電而腐蝕絕緣層，最終出現(xiàn)相間短路。 4號(hào)機(jī)組C相泄漏電流偏大，與線棒表面狀態(tài)及線棒間存在的導(dǎo)電雜物有關(guān)。泄漏電流大的情況在四川廣安電廠也出現(xiàn)過[3]，廣安電廠在檢查泄漏電流大的原因時(shí)發(fā)現(xiàn)線圈端部距槽口360mm有5mm長(zhǎng)直徑1mm的鋼絲。

圖3 定子線棒相間短路部位

2012年5月云南某電站6號(hào)機(jī)組運(yùn)行兩年左右，小修期間發(fā)現(xiàn)繞組下端下層背面端箍上遺留一小段鐵條，運(yùn)行期間在交流電磁力的作用下，鐵條不斷磕碰線棒絕緣層，損傷線棒防暈層后進(jìn)一步損傷主絕緣層，幾乎切斷主絕緣層，如果不是停機(jī)檢修，肯定會(huì)釀成定子繞組擊穿的事故。

天生橋一級(jí)水電站 1號(hào)機(jī)組運(yùn)行不到二年，于2002年10月機(jī)組突然發(fā)生擊穿短路事故，共有8根線棒燒毀，4個(gè)磁極匝間交流阻抗分布不均勻。事故源于U相 2-3分支間的匝間短路。發(fā)生事故的根源是在發(fā)電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)組裝施工中，遺留了一段長(zhǎng)約44mm的鐵物，斜搭在上、下層線棒的內(nèi)側(cè)間。由于熱效應(yīng)和振動(dòng)機(jī)械磨損效應(yīng)同時(shí)作用于鐵物兩端及線棒絕緣的表面，線棒的絕緣逐漸被破壞，最終發(fā)生擊穿事故[4]。

2 定子繞組內(nèi)部故障分析檢測(cè)

研究發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部故障時(shí)，基于快速傅立葉變換和小波變換技術(shù)建立了數(shù)學(xué)模型[5]，可以對(duì)不同運(yùn)行工況下同步發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部匝間短路故障的時(shí)頻穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值分析[6]。下面從另外幾方面介紹分析定子繞組內(nèi)部故障及解決措施。

2.1 多回路理論分析電機(jī)內(nèi)部故障

定子繞組內(nèi)部故障時(shí)氣隙磁場(chǎng)的諧波很強(qiáng)，電機(jī)中慣用的參數(shù)不能用于分析內(nèi)部故障。高景德及王祥珩1987年首次提出交流電機(jī)的多回路理論[7]。該理論把電機(jī)看作由若干相互運(yùn)動(dòng)的回路組成的電路，根據(jù)發(fā)電機(jī)定子繞組的接線方式，確定發(fā)電機(jī)定子繞組實(shí)際可能發(fā)生的相間和匝間短路數(shù)。運(yùn)用多回路分析法對(duì)所有實(shí)際可能發(fā)生的短路進(jìn)行計(jì)算，求得每一故障下各支路電流的大小和相位，包括中性點(diǎn)連線電流的大小。

國(guó)外也有一些學(xué)者開始利用多回路方法研究電機(jī)內(nèi)部故障。1990年德國(guó)Kulig教授發(fā)表汽輪發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障的計(jì)算方法[8]。美國(guó)學(xué)者Toliyat和Lipo等人研究感應(yīng)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子繞組的瞬態(tài)故障，利用異步電機(jī)繞組不對(duì)稱的多耦合電路分析方法并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)[9]。

為了提高多回路模型的精確度，更好地考慮鐵心飽和及渦流的作用，高景德等[10]建立了多回路和電磁場(chǎng)有限元相結(jié)合的模型。在實(shí)驗(yàn)室電機(jī)和動(dòng)態(tài)模擬電機(jī)上完成了各種工況下的仿真和試驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了場(chǎng)路結(jié)合模型有更高的仿真精度。當(dāng)采用多回路分析方法研究電機(jī)內(nèi)部故障時(shí)，其參數(shù)計(jì)算主要是指各回路的電感參數(shù)，這些參數(shù)多半與電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置有關(guān)[11]，即它們多為時(shí)變參數(shù)。用多回路法仿真研究電機(jī)內(nèi)部故障，每個(gè)回路都需要寫出方程，列成方程組后聯(lián)立求解，因此方程的數(shù)量決定了求解方程組的難易程度。定子繞組內(nèi)部短路時(shí)短路回路電流主要是由于直流勵(lì)磁電流在其中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)引起的，但其他回路的電流，其中也包括定子正常相內(nèi)的環(huán)流以及故障相的正常支路間的環(huán)流，對(duì)短路回路電流亦有影響。因此短路回路電流計(jì)算誤差增加，且其他支路電流更難以準(zhǔn)確計(jì)算。

2.2 定子繞組單相接地故障及絕緣缺陷的定位方法

定子繞組與鐵心間的絕緣被損壞會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)定子接地。絕大部分定子繞組擊穿短路前都要經(jīng)歷一段絕緣老化或磨損的過程，如能實(shí)時(shí)掌握定子繞組對(duì)地的絕緣狀況就可以預(yù)測(cè)繞組是否會(huì)出現(xiàn)接地故障。

雖然定子繞組單相接地故障的危害較小，但它是更嚴(yán)重短路故障的先兆。及時(shí)發(fā)現(xiàn)接地故障將極大地降低發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路故障的發(fā)生概率，若能夠進(jìn)一步診斷出故障位置，將為接地故障后的處理工作提供更多的便利。若接地故障發(fā)生在發(fā)電機(jī)的機(jī)端引線或中性點(diǎn)外，保護(hù)裝置能夠診斷出故障位置，就能盡快排除故障，減少停機(jī)造成的損失；若接地故障發(fā)生在發(fā)電機(jī)繞組內(nèi)部，診斷出故障位置也能加快檢修進(jìn)度。

因?yàn)槿鄙俦匾墓收闲畔ⅲ壳鞍l(fā)電機(jī)定子單相接地保護(hù)還不具備定位故障的功能。畢大強(qiáng)等[12]研究結(jié)果表明，利用外加電源單相接地保護(hù)和基波零序電壓保護(hù)所提供的故障信息，即外加電源定子單相接地保護(hù)計(jì)算的接地故障過渡電阻值和零序電壓保護(hù)中的機(jī)端各相對(duì)地電壓變化特點(diǎn)，可以對(duì)定子繞組單相接地故障進(jìn)行定位。

黨曉強(qiáng)等[13]提出一種對(duì)大型發(fā)電機(jī)定子繞組對(duì)地絕緣狀況進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的新原理，并在此基礎(chǔ)上提出在線確定接地短路點(diǎn)位置的新方法。定子繞組對(duì)地相對(duì)阻抗的數(shù)值可以反映其在線對(duì)地絕緣狀況，根據(jù)接地故障時(shí)零序電壓大小和相位來確定短路接地點(diǎn)位置的思路。

羅建等[14]利用零序網(wǎng)絡(luò)和三次諧波電壓等效網(wǎng)絡(luò)來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)計(jì)算發(fā)電機(jī)定子單相接地電阻。這種方法需要故障定位程序，利用程序計(jì)算出接地故障點(diǎn)距離中性點(diǎn)的匝數(shù)占每分支繞組總匝數(shù)的百分比，當(dāng)百分比小于2%時(shí)用三次諧波方法計(jì)算基礎(chǔ)電阻，當(dāng)百分比大于2%時(shí)用基波零序的方法來計(jì)算接地電阻，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)繞組全長(zhǎng)的接地情況的目的。

大型發(fā)電機(jī)定子繞組在進(jìn)行直流耐壓試驗(yàn)時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)三相泄漏電流相差較大，且泄漏電流隨電壓不成比例上升或突變的情況，這些異常情況表明發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣存在缺陷。找到缺陷所在部位并予以消除，對(duì)提高發(fā)電機(jī)繞組的使用壽命具有重要意義，但有時(shí)定子絕緣的局部缺陷是不容易查找到的。定子繞組一相或一個(gè)支路的絕緣雖然能承受標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的直流和交流耐壓試驗(yàn)的電壓，但當(dāng)其泄漏電流較其他相或支路高出許多時(shí)，說明絕緣存在某種缺陷。1999年7月大同第二發(fā)電廠6號(hào)發(fā)電機(jī)大修前耐壓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其三相泄漏電流（直流耐壓試驗(yàn)）嚴(yán)重不平衡，但通過了交流耐壓試驗(yàn)。B相泄漏電流比其他兩相的大幾倍以上，因此懷疑B相絕緣存在缺陷。賈素云等[15]利用U型探測(cè)器檢測(cè)B相繞組絕緣，根據(jù)局部泄漏電流偏大的特點(diǎn)，確定了絕緣局部缺陷的具體部位，拆除了有缺陷的線棒，避免了發(fā)電機(jī)重大事故的發(fā)生。

3 結(jié)論

目前發(fā)電機(jī)組容量越來越大，額定電壓值也越來越高，為了避免出現(xiàn)大型發(fā)電機(jī)定子繞組故障，需要注意以下幾方面的問題。1）在定子線棒下線后，必須清理干凈槽部、槽口及端部表面附著的半導(dǎo)體硅橡膠顆粒，清理干凈端部表面的尖角毛刺，避免耐壓試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)放電現(xiàn)象；2）機(jī)組安裝過程中，嚴(yán)格按照?qǐng)D紙要求和工藝要求操作，并且堅(jiān)持復(fù)查制度，以提高操作質(zhì)量，避免不必要的失誤；3）機(jī)組附屬設(shè)備的質(zhì)量需要定期檢查維護(hù)，超過使用年限的設(shè)備需要及時(shí)更新；4）機(jī)組安裝或大修時(shí)，避免金屬異物進(jìn)入機(jī)組內(nèi)部；5）電氣試驗(yàn)時(shí)，泄漏電流偏大值超出標(biāo)準(zhǔn)要求的，一定仔細(xì)檢查，查出原因，避免機(jī)組存在隱患運(yùn)行而釀成事故。

利用多回路理論分析定子繞組內(nèi)部故障是目前非常實(shí)用的方法，尤其是多回路理論與有限元計(jì)算結(jié)合，能動(dòng)態(tài)模擬電機(jī)各種工況下的狀態(tài)，能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出定子繞組單相接地故障，并診斷出接地故障點(diǎn)。另外利用繞組端部絕緣缺陷與泄漏電流的關(guān)系，也能診斷出繞組絕緣缺陷的具體部位。

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