唐昔冰，高詩(shī)華，張智文，朱永強(qiáng)

(四川華能寶興河水電有限責(zé)任公司，四川雅安 625000)

寶興水電站2F機(jī)組定子設(shè)備絕緣故障檢查、分析及處理

唐昔冰，高詩(shī)華，張智文，朱永強(qiáng)

(四川華能寶興河水電有限責(zé)任公司，四川雅安 625000)

介紹了在寶興水電站機(jī)組檢修過(guò)程中，2F發(fā)電機(jī)定子繞組直流耐壓試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)絕緣故障被擊穿后擊穿點(diǎn)的查找和故障原因分析，以及發(fā)電機(jī)的修復(fù)處理過(guò)程，更換了2F發(fā)電機(jī)定子線(xiàn)棒。

發(fā)電機(jī)；直流耐壓；試驗(yàn)；定子繞組；擊穿；綁扎;修復(fù)

1 工程概況

寶興水電站位于四川省寶興縣寶興河主源東河上，是寶興河流域梯級(jí)開(kāi)發(fā)自上而下的第3個(gè)梯級(jí)電站。電站東離成都公路里程220 km，南距雅安公路里程75 km。寶興水電站為長(zhǎng)隧洞引水式電站，電站裝設(shè)3臺(tái)65 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為195 MW，水頭范圍為304～345 m。主接線(xiàn)采用“1機(jī)1變”接線(xiàn)方式，其中1號(hào)發(fā)電機(jī)組為單元接線(xiàn)，2、3號(hào)發(fā)電機(jī)組為聯(lián)合單元接線(xiàn)。3臺(tái)主變?nèi)萘烤鶠?5 MVA。機(jī)組出口電壓為13.8 kV,由主變升壓至220 kV后經(jīng)1回220 kV寶黃線(xiàn)并入系統(tǒng)。寶興水電站主接線(xiàn)見(jiàn)圖1。

2 事件背景

2.1 發(fā)電機(jī)事故過(guò)程

2009年11月11日 17時(shí)36分，寶興水電站 2B主變1號(hào)保護(hù)屏差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，2B、3B主變2號(hào)保護(hù)屏差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作,事故發(fā)生后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)2F機(jī)組出口隔離刀閘(型號(hào)GN22-18/4000A)G21 A相觸頭定位彈簧燒斷。原因是A相動(dòng)靜觸頭間存在間隙，導(dǎo)致回路電阻增大，在機(jī)組額定電流下引起A相觸頭定位彈簧燒斷，產(chǎn)生飛弧，導(dǎo)致2B主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。

2.1.1 發(fā)電機(jī)事故過(guò)程中的電氣參數(shù)的分析

通過(guò)對(duì)故障波形的分析，2F機(jī)組在事故過(guò)程中,首先發(fā)生A相接地，進(jìn)而發(fā)展為三相短路。A相接地歷時(shí)540 ms,B相峰值電壓最大為19.48 kV,換算至線(xiàn)電壓為23.86 kV,為額定電壓的1.73倍。三相短路歷時(shí)70 ms,其中A相電流有效值為19.56 kA(為額定電流的6.47倍), B相電流有效值為18.57 kA(為額定電流的6.15倍), C相電流有效值為18.01 kA(為額定電流的5.96倍)。

差動(dòng)速斷保護(hù)定值為6Ie。2B主變A套差動(dòng)速斷保護(hù)定值I=6Ie，2B、3B主變B套差動(dòng)速斷保護(hù)定值I=6Ie。

變壓器高壓側(cè)額定電流Ie=75×106/(1.732×220)=196.83 A；

圖1 寶興水電站主接線(xiàn)圖

高壓側(cè)電流互感器變比為300/1A，因此其二次側(cè)電流為0.66 A；

變壓器低壓側(cè)額定電流Ie=75×106/(1.732×13.8)=3 137.87 A；

低壓側(cè)電流互感器變比為4 000/1 A，因此其二次側(cè)電流為0.79 A；

選取主變低壓側(cè)為基準(zhǔn)側(cè)。

2.1.2 發(fā)電機(jī)出口短路事故對(duì)發(fā)電機(jī)絕緣的影響分析

此次發(fā)電機(jī)短路事故應(yīng)屬于正常短路事故。分為2個(gè)階段：第1階段為定子一點(diǎn)接地，在B、C相產(chǎn)生的過(guò)電壓倍數(shù)較低，僅為1.73倍額定電壓，且時(shí)間僅為540 ms;第2階段為三相短路，其短路時(shí)間也僅僅只有70 ms, A相最大，B相次之，C相最小，短路電流最大為6.47倍額定電流，且三相電流較為對(duì)稱(chēng)。

按照GB/T7894-2009《水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件》規(guī)定，水輪發(fā)電機(jī)各部分結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)能承受在額定轉(zhuǎn)速及空載電壓等于105%額定電壓下，歷時(shí)3 s的三相突然短路試驗(yàn)而不產(chǎn)生有害變形或損害。同時(shí)還應(yīng)能承受在額定容量、額定功率因數(shù)和105%額定電壓及穩(wěn)定勵(lì)磁條件下運(yùn)行時(shí)，歷時(shí)20 s的短路故障而無(wú)有害變形或損壞。線(xiàn)圈的端部和連接線(xiàn)均應(yīng)牢靠地支撐和固定，以防止發(fā)電機(jī)在可能遭受?chē)?yán)重的短路而引起的作用力時(shí)產(chǎn)生變形和振動(dòng)。而此次發(fā)生短路事故的總時(shí)間不超過(guò)1 s，因此，在正常情況下不應(yīng)造成發(fā)電機(jī)絕緣明顯損傷。從現(xiàn)場(chǎng)檢查情況可以看出，發(fā)電機(jī)定子線(xiàn)棒端部表面和鐵芯部位無(wú)異?，F(xiàn)象。

2.2 2F機(jī)組檢修

2010年4月10日安排對(duì)寶興水電站2F機(jī)組進(jìn)行檢修，在做定子繞組泄漏電流和直流耐壓熱機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中，直流電壓施加至14.5 kV時(shí)，A相117槽上層線(xiàn)棒主絕緣在下端部槽口處被擊穿。隨后按照直流耐壓2.0Un(27.6 kV)和交流耐壓1.3Un(17.94 kV)標(biāo)準(zhǔn)，截止5月22日共排查出17根故障線(xiàn)棒，擊穿部位均在下端部直線(xiàn)部位距槽口1～4 cm處，其中A相上層普通線(xiàn)棒15根，B相下層普通線(xiàn)棒1根，C相上層長(zhǎng)線(xiàn)棒1根。

17 根線(xiàn)棒直流高壓試驗(yàn)擊穿，按上下層線(xiàn)棒分類(lèi)：17 根中16根為上層線(xiàn)棒；按相分類(lèi)：17 根中15根為A 相線(xiàn)棒；按區(qū)分布在低至高電壓區(qū)域，集中分布在4 個(gè)區(qū)域(其中2 個(gè)區(qū)域靠近合縫面)，其它5 根單獨(dú)分布在定子圓周各處。擊穿電壓從13.5 kV 到34 kV/DC、 16 kV到23.6 kV/AC，絕緣電阻和吸收比良好，擊穿位置均在鐵心下端。

3 絕緣故障檢查

3.1 擊穿點(diǎn)的查找

(1) 發(fā)電機(jī)定子接地故障分金屬性接地和非金屬性接地2種，使用2 500 V兆歐表測(cè)量A、B、C三相絕緣電阻，B、C絕緣正常，A相絕緣為0.27 MΩ，由此推斷A相絕緣損壞。因?yàn)槎ㄗ拥慕拥仉娮璐笥诶@組電阻，屬于非金屬接地。在對(duì)定子線(xiàn)棒全面檢查發(fā)現(xiàn)117號(hào)線(xiàn)棒有放電現(xiàn)象。

(2) 寶興水電站在第1根線(xiàn)棒擊穿后，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法直接確定擊穿點(diǎn)在那根線(xiàn)棒。2F機(jī)組定子繞組槽數(shù)為234, 每相并聯(lián)支路數(shù)2,P=12，接法： 2Y。 定子繞組分布見(jiàn)圖2。分別對(duì)線(xiàn)棒的三相A、B、C的相別測(cè)直流電阻，見(jiàn)表1。

圖2 定子繞組分布展開(kāi)圖

表1 三相A、B、C的直流電阻值表 /mΩ

(3) 用直流壓降法：對(duì)A相繞組通直流電(所加直流電壓235 mV)，測(cè)量A相繞組兩端對(duì)地電壓。

式中:L1、L2分別為繞組故障點(diǎn)D距引出線(xiàn)頭B、Y的長(zhǎng)度;L為該繞組的總長(zhǎng)度。

用直流壓降法進(jìn)行測(cè)試計(jì)算擊穿點(diǎn)：分別對(duì)A相支路1U1-1U2和2U1-2U2加直流電壓235 mV，在2U1-2U2支路測(cè)得2U1=115 mV，以及相別2U1-2U2電阻的數(shù)據(jù)，根據(jù)直流壓降法公式初步確定擊穿點(diǎn)D位置(見(jiàn)圖3)，估計(jì)在116槽線(xiàn)圈繞組左右。再采用探針對(duì)130-116槽引出線(xiàn)進(jìn)行測(cè)試，用萬(wàn)用表對(duì)130-116槽引出線(xiàn)測(cè)線(xiàn)棒地電壓，電壓越低說(shuō)明離接地點(diǎn)越近，縮小故障點(diǎn)范圍，最終判斷在 117槽上層電壓最小。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)2F機(jī)組定子A相117號(hào)槽上層定子線(xiàn)棒槽口處端部有放電痕跡，確定117號(hào)槽上層定子線(xiàn)棒下端部槽口處絕緣受損，見(jiàn)圖4。

圖3 故障點(diǎn)示意圖

圖4 117號(hào)槽上層線(xiàn)棒下端部擊穿點(diǎn)圖

4 原因分析

4.1 線(xiàn)棒絕緣擊穿原因評(píng)估

在2F機(jī)組檢修過(guò)程中，吊出轉(zhuǎn)子后，分析發(fā)現(xiàn)造成2F機(jī)組定子線(xiàn)棒絕緣擊穿的可能原因有以下15種并作出評(píng)估。

(1) (100 Hz或其他頻率)過(guò)度的機(jī)械振動(dòng)：低；

(2) 隔離開(kāi)關(guān)短路，過(guò)電流：中等；

(3) 過(guò)電壓：低；

(4) 下線(xiàn)操作質(zhì)量：高；

(5) 絕緣材料問(wèn)題：低；

(6) 打槽楔時(shí)對(duì)線(xiàn)棒損傷：低；

補(bǔ)救措施：如果確定有縮頸現(xiàn)象發(fā)生，則應(yīng)當(dāng)用削尖的工字鋼作為沖錘沿孔壁進(jìn)行刷孔，并應(yīng)根據(jù)鋼絲繩的上提長(zhǎng)度計(jì)算卡錘點(diǎn)，耐心對(duì)此位置進(jìn)行反復(fù)刷孔操作。

(7) 槽側(cè)墊條過(guò)短：低；

(8) 連接時(shí)對(duì)線(xiàn)棒的變形損傷：低；

(9) 外物損傷：低；

(10) 化學(xué)污染：低；

(11) 局部過(guò)熱：低；

(12) 連接處不良的銀銅焊：低；

(13) 不適當(dāng)?shù)姆罆?梯度材料：低；

(15) 不充分的端部挷軋和支撐設(shè)計(jì)：高。

4.2 線(xiàn)棒絕緣擊穿原因論證

為了進(jìn)一步查找定子線(xiàn)棒絕緣擊穿原因，進(jìn)行了故障線(xiàn)棒絕緣擊穿強(qiáng)度試驗(yàn)、介損試驗(yàn)、局部放電試驗(yàn)、解剖檢查以及備品線(xiàn)棒介損試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2、3。試驗(yàn)表明：故障線(xiàn)棒直線(xiàn)部分的局部放電和介損均較大，分段局部放電均較大, 表明發(fā)電機(jī)絕緣可能存在普遍分層缺陷，在運(yùn)行中因局部放電而損傷絕緣。在定子線(xiàn)棒出槽口由于電場(chǎng)相對(duì)集中，受力作用該部位絕緣容易出現(xiàn)薄弱點(diǎn)，特別是下端端部較長(zhǎng)，下端出槽口更容易出現(xiàn)薄弱部位。發(fā)電機(jī)線(xiàn)棒絕緣雖然在出廠(chǎng)時(shí)通過(guò)了91 kV交流耐壓試驗(yàn)的考驗(yàn)，但在運(yùn)行中因局部放電而使絕緣裂化，絕緣強(qiáng)度有下降趨勢(shì)。損傷部位在運(yùn)行中因運(yùn)行電位較低而未引起線(xiàn)棒絕緣擊穿，在耐壓試驗(yàn)時(shí)因該部位絕緣承受電壓較高而擊穿。

表2 故障線(xiàn)棒非故障直線(xiàn)部位介損試驗(yàn)結(jié)果表

表3 定子舊線(xiàn)棒直線(xiàn)部分絕緣局部放電試驗(yàn)結(jié)果表

4.3 定子線(xiàn)棒擊穿部位解剖檢查

對(duì)A 相117號(hào)上層故障線(xiàn)棒下端部擊穿部位進(jìn)行了解剖檢查(見(jiàn)圖5)，發(fā)現(xiàn)擊穿點(diǎn)在上窄面棱角處。在防暈層高低阻搭接部位未發(fā)現(xiàn)爬電痕跡。在銅線(xiàn)層間和排間未發(fā)現(xiàn)過(guò)熱痕跡。

對(duì)A 相115號(hào)上層故障線(xiàn)棒下端部擊穿部位進(jìn)行了解剖檢查(見(jiàn)圖6)，發(fā)現(xiàn)擊穿點(diǎn)在上窄面棱角處。從絕緣內(nèi)面靠銅線(xiàn)處在放電點(diǎn)部位存在1～2 cm左右裂紋，與云母的纏繞方向基本一致，沿裂紋有線(xiàn)狀放電痕跡。在絕緣裂紋處輕輕用力就分成兩半，在裂紋處存在分層現(xiàn)象。

圖5 117號(hào)上層A相故障線(xiàn)棒下端部擊穿部位解剖圖

圖6 115號(hào)上層A相故障線(xiàn)棒下端部擊穿部位解剖圖

發(fā)電機(jī)定子上層漸開(kāi)線(xiàn)部位綁扎3道，下層漸開(kāi)線(xiàn)部分通過(guò)2道端箍綁扎，上層之間、下層之間綁線(xiàn)在層間位置未固化，綁扎繩也未進(jìn)行均勻浸漬室溫固化絕緣膠。發(fā)電機(jī)定子上下層線(xiàn)棒端部之間無(wú)撐墊塊,存在松動(dòng)的可能。由于定子上下層線(xiàn)棒端部之間無(wú)支撐墊塊，上層線(xiàn)棒容易受到向外的徑向電磁力作用，在正常運(yùn)行中該部位絕緣不容易受損，在發(fā)生短路事故時(shí)容易受損，加之下端部漸開(kāi)線(xiàn)部位較上端部長(zhǎng)，下端部更容易受損。此次短路事故在運(yùn)行中可能對(duì)發(fā)電機(jī)絕緣存在一定的影響，但不是造成發(fā)電機(jī)絕緣損傷的直接原因。

綜上所述，發(fā)電機(jī)定子絕緣擊穿的原因是由于定子端部的固定結(jié)構(gòu)及工藝存在不足，機(jī)組不能滿(mǎn)足應(yīng)能承受出口短路電動(dòng)力的要求，造成定子線(xiàn)棒主絕緣損傷。

5 處理措施

2F機(jī)組定子更換全部定子線(xiàn)棒。在下線(xiàn)時(shí)的工藝要求：上、下層間墊條需伸出鐵芯，槽內(nèi)側(cè)面墊條需填充完整。所有綁扎線(xiàn)棒的綁扎繩要求均勻浸漬室溫固化絕緣膠，綁扎牢固后再在其表面涂刷室溫固化絕緣膠。2F機(jī)組定子線(xiàn)棒共計(jì)468根全部進(jìn)行了更換。上、下層線(xiàn)棒槽電位測(cè)試合格，耐壓通過(guò)。定子整體按照3Un=41.4 kV進(jìn)行直流泄漏試驗(yàn)、按照2Un+3=30.6 kV進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)。A、B、C三相按以上標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)均通過(guò)，2F機(jī)組定子絕緣故障修復(fù)檢修定子線(xiàn)棒全部更換完成。

6 結(jié) 論

更換后的2F機(jī)組定子線(xiàn)棒在進(jìn)過(guò)了4 a多的運(yùn)行中,2F發(fā)電機(jī)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，證明更換后的定子線(xiàn)棒絕緣運(yùn)行良好。

在水電站機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，不管是機(jī)組內(nèi)部，還是外部只要對(duì)機(jī)組線(xiàn)棒造成影響，一定要進(jìn)行機(jī)組線(xiàn)棒直流耐壓實(shí)驗(yàn)，從而消除設(shè)備運(yùn)行帶來(lái)的安全隱患，使設(shè)備安全、可靠的運(yùn)行。

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Inspection, Analysis and Handling of Stator Insulation Failure of Unit 2, Baoxing Hydropower Station

TANG Xi-bing, GAO Shi-hua, ZHANG Zhi-wen, ZHU Yong-qiang

(Sichuan Baoxing River Hydropower Co., Ltd, Ya'an, Sichuan 625000, China)

It describes the search of the puncturing point and the analysis of the failure cause of the insulation after being punctured when DC voltage withstand test is carried out on the stator winding of Unit 2 during the unit maintenance and repair of Baoxing Hydropower Station. The generator repair and handling process are described. The stator coil bar of 2F generator is replaced.

generator; DC voltage withstand; test; stator winding; puncture; tie; repair

1006—2610(2015)02—0067—04

2015-01-18

唐昔冰(1971- ),男,四川省阿壩州茂縣人,工程師，主要從事電站檢修、運(yùn)行工作.

TM312

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.02.017