楊小玲，羅遠福

(1.貴州省習水鼎泰能源開發(fā)有限責任公司，貴州習水564600;2.重慶電力高等專科學校，重慶400053)

貴州灣塘電站有3臺水輪發(fā)電機組，1F、2F為擴大單元接線，3F為發(fā)變電組單元接線。3臺機組型號均為SFW-3200-6/1730，基本參數(shù)如下所述。

容量:4 000 kVA;功率:3 200 kW;電壓:6 300 V;電流:366.6 A;轉(zhuǎn)速:1 000轉(zhuǎn)/分;飛逸轉(zhuǎn)速:1 873轉(zhuǎn)/分;絕緣等級:B/F;功率因素:0.8;頻率:50 Hz。

1 故障現(xiàn)象及處理過程

2F在運行中差動保護動作停機，經(jīng)檢查，2F定子線圈出線A、B、C三相1#、2#線圈端部擊穿并熔斷。

發(fā)電機定子線圈擊穿的原因是多方面的，絕緣老化、繞組受潮、繞組本身缺陷或檢修工藝不當、繞組過熱、發(fā)電機內(nèi)部進入金屬異物、外部及內(nèi)部過電壓擊穿等，都可能造成定子線圈的絕緣擊穿。由于事故發(fā)生時，無論是電站還是系統(tǒng)，均無倒閘操作，也無大氣過電壓產(chǎn)生，初步排除了外部過電壓導致線圈擊穿的可能;機組長期運行，且經(jīng)初步檢查，冷卻系統(tǒng)及相關(guān)管路無漏水，排除繞組受潮的可能。因此，初步判斷此次事故的發(fā)生是由發(fā)電機內(nèi)部故障所引起的。其原因可能為絕緣老化、檢修工藝不當、繞組過熱、發(fā)電機內(nèi)部進入金屬異物或內(nèi)部過電壓擊穿等。

故障發(fā)生后，通過外觀檢查已初步確定故障點為2F定子線圈出線A、B、C三相1#、2#線圈端部。但為了找到其他可能存在的故障點，將故障機組A、B、C三相定子繞組熔斷的端部簡單連接，測得第一次各相線圈對地絕緣電阻(各次測得數(shù)據(jù)詳見表1)，三相電阻值遠遠滿足規(guī)程(1 MΩ/kV)要求，吸收比也大于規(guī)程要求的1.3。因此，可判斷無其他故障點，可將該唯一故障點做進一步處理。將定子A、B、C三相線圈熔斷的端部進行焊接，測得第二次各相對地絕緣電阻，各項指標仍保持正常。因此，繼續(xù)進行下一步處理。將A、B、C三相線圈熔斷的端部用銀焊焊接，焊口用云母帶雙層半疊繞包扎，共12層，外包玻璃絲帶一層，最后涂刷無溶劑膠浸透玻璃絲帶。其后測得第三次各相線圈對地絕緣電阻，數(shù)據(jù)顯示絕緣及吸收比相對較低(見表1)。經(jīng)分析是由水電站廠房潮濕，2F停機處理故障時間相對較長，線圈一定程度上受潮引起。因此，決定對2F開空車烘燥。經(jīng)過空載烘燥，第四次測得2F絕緣電阻(見表1)，此時2F定子線圈的絕緣電阻與吸收比滿足機組絕緣要求，故障處理告一段落。

表1 各次絕緣電阻及吸收比(環(huán)境溫度23℃)

故障處理后，進行耐壓試驗，耐壓試驗有交流和直流兩種。直流耐壓試驗，能夠有效地檢出定子繞組端部絕緣的缺陷，但對槽部繞組的試驗效果卻不如工頻耐壓試驗的效果。因為直流電壓加在繞組上沒有電容效應(yīng)，電場在絕緣層的各處分布均勻，如果加上50 Hz交流電壓，由于電容效應(yīng)，電場分布不均，接近鐵心槽部的絕緣所承受的電場較強。故兩種試驗相輔相成，不能互相代替，而本次故障點在端部，故采用直流耐壓進行現(xiàn)場試驗。當B相直流試驗電壓在9 kV左右時，有絕緣擊穿的放電聲，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)在B相出線2#、3#線圈端部的下端有一直徑約10 mm絕緣擊穿點。對此擊穿點進行包扎絕緣處理后，第五次測量2F定子線圈絕緣電阻(見表1)。其絕緣數(shù)據(jù)表明，定子線圈絕緣電阻和吸收比基本合格，但由于直流耐壓試驗過程中出現(xiàn)了絕緣擊穿，故決定對出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象的B相進行修復后，再次作直流耐壓試驗。當電壓升至5 kV左右時，B相再次發(fā)出放電聲，測其絕緣電阻為零。經(jīng)多次排查，最后確定故障線圈在B相出線1#、2#線圈的內(nèi)部。由于未拆機，無法找到故障點，最后決定將2F轉(zhuǎn)子吊出做進一步檢查。

拆機后，確認發(fā)電機內(nèi)無異物，無明顯放電痕跡，但發(fā)電機出線端部的蓋板有銅液粉末。吊出轉(zhuǎn)子后發(fā)現(xiàn)定子線圈B相出線第一個線圈槽口處上層邊與鐵芯齊平有一30 mm的裂紋。對這一缺陷進行絕緣包扎處理，確定各項指標合格后對定子線圈進行了短路烘燥，并在烘燥后對2F定子線圈絕緣電阻進行了第六次測量。2F定子線圈的絕緣電阻值與吸收比符合絕緣要求，之后再次對B相進行直流耐壓試驗，當電壓升至10 kV左右時，B相再次放電。檢查發(fā)現(xiàn)，仍是B相相同位置有一25 mm左右的裂紋。由于無法在短時間內(nèi)對現(xiàn)場線圈進行處理，綜合考慮檢修時間、成本等因素，電站最終決定更換此線圈(見圖1)。對新線圈測量絕緣電阻為5 200 MΩ，交流耐壓17.325 kV，1分鐘未出現(xiàn)異常。新線圈下線后，絕緣電阻測量為5 120 MΩ，交流耐壓15.75 kV，1分鐘無異常。并頭連接后，交流耐壓試驗結(jié)果表明，新線圈絕緣合格(試驗數(shù)據(jù)見表2)。對絕緣包扎浸漆后，將2F回裝完畢，開空車對水輪發(fā)電機各部軸承溫度進行考驗，同時對2F進行其他相應(yīng)試驗及檢查，無異常，2F并網(wǎng)發(fā)電。

2 定子線圈擊穿原因總結(jié)

通過現(xiàn)場觀察分析，筆者認為引起此次事故的原因主要有以下幾點。

表2 交流耐壓試驗絕緣電阻及吸收比數(shù)據(jù)(線圈平均溫度40℃，環(huán)境溫度23℃)

圖1 更換后的定子線圈及拆機后原絕緣擊穿點位置

2.1 內(nèi)部放電

由于制造工藝與下線工藝存在缺陷，電機在運行中受電、熱、化學和機械力的作用，定子繞組不可避免地會在層間出現(xiàn)氣隙，氣隙中的場強可達平均場強的3.5倍左右，加之線圈本身質(zhì)量的原因，增多、增大了氣隙。在運行電壓的作用下，氣隙中的場強很容易擊穿，出現(xiàn)絕緣內(nèi)部局部放電。局部放電產(chǎn)生的局部過熱，造成高溫聚合物裂解而使絕緣損壞，在電、熱、化學和機械力的聯(lián)合作用下，又進一步使氣隙擴大，造成絕緣有效厚度減小，使擊穿電壓進一步降低，最終導致絕緣擊穿。

2.2 端部放電

發(fā)電機定子繞組端部并頭套的連接處，是絕緣的薄弱環(huán)節(jié)，運行中電機端部電場局部集中，發(fā)電機運行工況惡劣，長期過熱、過壓，會加速電機絕緣老化，查閱電站機組運行數(shù)據(jù)，該機組經(jīng)常在7 kV電壓下運行，同時由于端部防暈層處理不好，導致起暈電壓降低，在運行電壓下，就可能導致端部電暈放電，對電機絕緣產(chǎn)生很大破壞作用。

2.3 槽放電

線圈的環(huán)氧云母的熱固性絕緣在電機運行溫度下，受熱膨脹比其他部件小，使槽部表面不能和鐵芯槽壁完全接觸，加之該機組線圈存在間隙超標，拆出的13個線圈有10個線圈的間隙大于0.5 mm，而工藝要求小于0.3 mm。在運行中定子線圈因振動或摩擦使槽部防暈層脫落，當間隙中的電場超過間隙的擊穿場強時，致使線圈主絕緣表面、線棒表面與槽壁之間產(chǎn)生放電。

2.4 電弧放電

電機定子繞組在運行中受到電、熱、機械力的作用，可引起定子線棒股線的疲勞斷裂，斷裂股線兩端由于整個線圈的振動時斷時續(xù)，形成火花放電，并隨工頻電流過零而不斷熄滅、重燃，形成電弧放電。這種電弧放電產(chǎn)生的局部高溫，使股間絕緣燒損，嚴重時可使導線熔化，絕緣層完全燒毀，并發(fā)生相間短路和多點接點故障。而這種由斷股引起的短路或接地故障，由于有足夠的熱量，使導線熔化，對地絕緣完全燒毀。因此，故障發(fā)生后往往找不到斷股的證據(jù)。斷股電弧故障在發(fā)展過程中，只有熔化的銅液粉末噴出，該機組拆機時的確發(fā)現(xiàn)有銅液末存在。

綜上所述，此次發(fā)電機定子絕緣擊穿，是由運行、制造、安裝多方面原因共同造成。

3 預防及改進措施

針對定子繞組的這些情況，可采取如下措施對事故進行預防和改善。

(1)針對端部可能出現(xiàn)的局部電暈，可根據(jù)線棒所處位置是高阻區(qū)還是低阻區(qū)，在防暈層外涂敷相應(yīng)的半導體防暈漆，再在外層表面涂敷防護灰磁漆。這種處理的方式比較簡單，處理關(guān)鍵是防暈漆選擇適當，漆的黏度控制準確。但要注意這種處理方式對線棒高低阻交界處的電暈沒有防護效果。

(2)針對槽放電，可采取的措施有定子槽內(nèi)在下線前噴低阻半導體漆;選擇合適的低阻半導體墊條;改進線棒槽內(nèi)固定方式;改進制造工藝水平，如線棒的尺寸和平直度、鐵芯的制造和疊片公差等。

(3)加強發(fā)電機運行維護管理，降低發(fā)電機的振動，避免因振動摩擦使線圈防暈層遭到破壞。同時，加強機端電壓調(diào)整，使電機在額定電壓下工作，避免由于電壓升高等運行管理原因?qū)е码姍C故障。

(4)對空冷式發(fā)電機的冷卻氣體的濕度進行控制，避免由于擊穿電壓降低而導致相間放電。

(5)加強定子線圈制造過程的監(jiān)督和管理。如購買技術(shù)實力較強的企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品、派遣或委托專業(yè)技術(shù)人員對定子線圈的制造過程進行監(jiān)督和管理。避免由于線圈的制造工藝、下線工藝的不良影響電機的正常運行。

4 結(jié)束語

雖然通過更換定子線圈，使事故發(fā)電機重新投入了運行，但為避免事故的再次發(fā)生，應(yīng)對產(chǎn)生事故的原因進行分析和總結(jié)。按“四不放過”的原則，從根源上找到并解決發(fā)生事故的原因，才能使設(shè)備真正安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟、可靠地運行。

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