李 震，曾需要

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水輪發(fā)電機定子絕緣問題分析及處理案例

李 震1，曾需要2

（1. 國網(wǎng)湖北省電力公司黃龍灘水力發(fā)電廠，湖北 十堰 442000；2. 國網(wǎng)甘肅省電力公司劉家峽水電廠，甘肅 永靖 731600）

本文選擇黃龍灘水電廠1號發(fā)電機為典型案例，介紹了定子絕緣問題的查找和處理方法，結(jié)果表明直流漏電流試驗?zāi)鼙容^直觀地反映定子繞組端部的集中性缺陷，繞組兩端引線的緊固部件是產(chǎn)生定子絕緣缺陷的高發(fā)部位，應(yīng)當(dāng)給予重視，該研究結(jié)果對其他各電站類似問題有重要的借鑒價值和參考作用。

發(fā)電機；定子；絕緣問題；案例分析

0 前言

水輪發(fā)電機定子繞組由于受到制造工藝、運行環(huán)境及其附屬連接部件、緊固件的影響，經(jīng)常會出現(xiàn)絕緣水平/強度下降的問題。如某抽水蓄能電廠2號機組投產(chǎn)運行后4年，在年度小修的定子絕緣試驗中，出現(xiàn)了絕緣電阻偏小、直流泄漏電流偏大的現(xiàn)象，該問題一直困擾著運行檢修人員[1]。

一般情況下，發(fā)電機定子絕緣問題的查找比較困難。電機制造廠常用繞組端部泄漏電流檢測方法（所謂的“電位外移法”）對汽輪發(fā)電機繞組端部手包絕緣等部位進行測試，以檢查絕緣弱點，消除三相泄漏電流不平衡或者某相泄漏電流偏大的問題。但目前水輪發(fā)電機尚沒有“電位外移法”測試標準，而且水輪發(fā)電機和汽輪發(fā)電機的絕緣結(jié)構(gòu)和安裝形式也不完全相同，所以水輪發(fā)電機直流耐電壓試驗過程中出現(xiàn)三相泄漏電流不平衡的問題時，工程技術(shù)人員難以直接找到解決問題的依據(jù)和測試標準[2]。

1 定子絕緣常見問題及發(fā)生原因

發(fā)電機是電力系統(tǒng)中的重要電力設(shè)備，它的安全運行影響著整個電力系統(tǒng)的可靠供電，而發(fā)電機定子的絕緣性能是發(fā)電機能夠安全運行的保證。但發(fā)電機定子在運行中，由于電壓、熱、化學(xué)、機械振動以及其他因素的影響，絕緣材料會發(fā)生一些變化，其絕緣性能會出現(xiàn)劣化，甚至失去絕緣性能，造成事故[3]。水輪發(fā)電機定子絕緣常見故障及主要原因有：

（1）定子繞組絕緣受傷。水輪發(fā)電機定子繞組在檢修過程中常常因為起吊、搬運等受到擠壓、刮蹭，導(dǎo)致定子繞組發(fā)生不同程度的損壞。在檢修過程中雖然絕緣試驗為合格，但是卻潛伏著安全隱患，等到發(fā)電機運行一段時間后，這些缺陷逐漸暴露出來，容易引發(fā)絕緣事故[4]。

（2）鐵心硅鋼片局部短路。水輪發(fā)電機定子鐵心硅鋼片由于局部的碰傷、電腐蝕、松動、高溫等情況的持續(xù)作用，會逐漸破壞片間絕緣，導(dǎo)致局部短路現(xiàn)象發(fā)生。鐵心硅鋼片局部短路時，鐵損會顯著增強，局部過熱明顯，加速硅鋼片和定子的主絕緣老化，如果沒有及時發(fā)現(xiàn)和處理，會導(dǎo)致鐵心嚴重?zé)龘p和定子絕緣擊穿事故[3]。

（3）電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障。在電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障且故障點距離發(fā)電機很近時，在發(fā)電機相間短路、匝間短路、短路接地、不對稱運行、非全相運行等情況下，有可能造成定子主絕緣的局部受傷甚至燒毀定子[3]。

（4）定子繞組受潮和臟污時會導(dǎo)致整體絕緣下降。受潮原因是發(fā)電機及其附屬設(shè)備不完全密封，濕度高時，特別是冬天陰雨天氣，定子繞組出口及中性點引出線處支持瓷瓶表面易結(jié)露形成水珠、水膜，使定子繞組整體絕緣降低；另外設(shè)備絕緣表面灰塵會吸濕，且灰塵、水具有導(dǎo)電性，造成絕緣值降低[5]?？绽涫桨l(fā)電機在停運狀態(tài)下絕緣極易受潮，主要表現(xiàn)在泄漏電流顯著增加、絕緣電阻顯著降低[6]。

（5）定子繞組及其附屬連接部件、緊固件絕緣材料老化和加工工藝不良。絕緣材料影響著發(fā)電機使用的安全性和可靠性，在長期的現(xiàn)場運行中，發(fā)電機由于受到電氣故障、溫度、摩擦和機械振動的共同作用以及不同外部環(huán)境條件的影響，其定子繞組以及鐵心疊片之間的絕緣部分會逐漸產(chǎn)生老化，絕緣電阻值下降，最終喪失其應(yīng)有性能[7]。

2 黃龍灘水電廠定子絕緣問題分析處理案例

2.1 機組概況

國網(wǎng)湖北黃龍灘水力發(fā)電廠1號發(fā)電機單機容量為85MW。定子共有線圈396個，主引出線和中性引出線各3根，為雙層條式波繞組，2Y型連接，額定電壓13.8kV，絕緣等級F級。

三十多年來，1號機組一直運行可靠，工況良好。但2013年開始，1號發(fā)電機的定子絕緣逐漸出現(xiàn)問題，主要體現(xiàn)在A、C兩相直流泄漏電流相繼出現(xiàn)數(shù)值偏大情況。

2.2 絕緣缺陷

2013年4月，在1號發(fā)電機預(yù)防性試驗中發(fā)現(xiàn)A相直流泄漏電流數(shù)值明顯偏大（定子繞組兩端均斷引，下同），A相直流泄漏電流數(shù)值在2.0N電壓下達到了B、C兩相的5倍以上，不符合規(guī)程中“在規(guī)定試驗電壓下各相泄漏電流的差別不應(yīng)大于最小值的100%”的要求[8]?？紤]到機組停機時間較長，定子繞組有可能局部受潮，為了進一步確認是否存在絕緣缺陷，將機組空轉(zhuǎn)干燥4h后，在熱狀態(tài)下進行試驗，試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 定子繞組絕緣電阻，吸收比、泄漏電流

從表1中可看出，1號機三相絕緣電阻和吸收比及直流耐壓試驗雖然合格，但A相直流泄漏電流數(shù)值在2.0N電壓下高達320.5μA。經(jīng)驗證明，測量泄漏電流能發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備絕緣貫通的集中缺陷、整體受潮或有貫通的部分受潮以及一些未完全貫通的集中性缺陷[9]，故判定1號發(fā)電機定子存在絕緣缺陷。

2.3 分析查找

2.3.1 初次分析查找

線棒絕緣本身存在問題的概率微乎其微，如果整體模壓線棒本身存在問題，線棒多年以來的絕緣電阻和交流耐電壓試驗一般就能夠反映出來。泄漏電流主要由表面途徑的泄漏所致，發(fā)電機泄漏電流異常增大，應(yīng)該首先從繞組的受潮和污穢情況查起。

通過對試驗情況分析，認為存在兩方面的原因：一是因檢修時間長，機組整體吸潮，致使繞組表層局部受潮；二是由于在未吊出轉(zhuǎn)子的情況下，各繞組表面的污垢難以清掃干凈，且各相各個支路清潔情況不一，可能出現(xiàn)A相繞組泄漏電流增大的情況。

于是采取了以下解決對策：（1）通過拔掉轉(zhuǎn)子磁極對定子線棒端部、槽口和兩端引線等重點部位進行全面清掃；（2）在試驗前讓發(fā)電機并網(wǎng)運行干燥。

2013年10月13日進行了處理后試驗，試驗結(jié)果表明A相直流泄漏電流依然偏大，并沒有改觀。

2.3.2 再次分析查找

測量泄漏電流能有效檢出發(fā)電機主絕緣受潮和局部缺陷，特別是能檢出繞阻端部絕緣缺陷[10]。分析認為，1號發(fā)電機已運行了30多年，發(fā)電機在長期的運行、檢修中可能存在絕緣老化、受損情況，因此應(yīng)重點檢查定子線棒槽口部位、兩端引線緊固部位、引線手包絕緣處和接頭絕緣盒等關(guān)鍵部位的絕緣情況。

隨即對定子線棒槽口部位、兩端引線緊固部位、引線手包絕緣處和接頭絕緣盒等關(guān)鍵部位進行了仔細檢查。經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)：部分接頭絕緣盒頂部環(huán)氧泥有龜裂現(xiàn)象，經(jīng)核實A相占龜裂總槽數(shù)的60%。

根據(jù)檢查結(jié)果，采取了以下解決對策：（1）用環(huán)氧膠將龜裂部位重新進行填充，并經(jīng)24h固化；（2）對定子繞組端部及過橋等處絕緣表面用酒精仔細擦拭清理。

2013年10月16日進行了上述處理后的試驗，試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 填充環(huán)氧膠后定子繞組絕緣電阻，吸收比、泄漏電流

從表2中可看出，用環(huán)氧膠將接頭絕緣盒龜裂部位進行填充加強絕緣后，1號發(fā)電機A相定子繞組泄漏電流試驗已合格。但是10月30日在開機前進行復(fù)查試驗時，卻發(fā)現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)仍然超標，試驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 填充環(huán)氧膠后、開機之前定子繞組絕緣電阻，吸收比、泄漏電流

從表3中可看出，A相直流泄漏電流數(shù)值嚴重偏大的缺陷仍然存在，另發(fā)現(xiàn)C相直流泄漏電流數(shù)值也出現(xiàn)了偏大缺陷，且超過了A相。

2.3.3 第3次分析查找

將前幾次試驗結(jié)果進行了綜合比較和分析，發(fā)現(xiàn)濕度和溫度對于試驗數(shù)據(jù)影響很大。特別是最近兩次試驗的濕度相差較大，試驗數(shù)據(jù)也相差較大。說明定子絕緣強度隨濕度和溫度變化差別明顯，且容易吸潮。由此分析產(chǎn)生缺陷的主要原因還是在繞組表面或其緊固部件等部位。再根據(jù)故障出在A、C兩相這一特征，經(jīng)查閱發(fā)電機繞組安裝圖紙，發(fā)現(xiàn)B相繞組在中性點處沒有電木類絕緣支撐塊進行緊固，而A、C兩相卻有相同的電木絕緣支撐塊進行緊固（安裝結(jié)構(gòu)需要）。由經(jīng)綜合分析，我們初步斷定1號發(fā)電機繞組中性點電木絕緣支撐塊有嚴重的絕緣缺陷故障。

根據(jù)以上分析，我們采取了以下對策：（1）將1號發(fā)電機繞組中性點易受潮老化的電木絕緣支撐塊，更換為新的環(huán)氧材料制成的絕緣支撐塊；（2）對A、C相繞組中性點引線部位的絕緣層進行重新包扎處理，提高其絕緣性能。

采取以上措施后，2014年9月10日再次進行了試驗，試驗數(shù)據(jù)見表4。

表4 更換電木支撐塊后定子繞組絕緣電阻，吸收比、泄漏電流

從表4中可看出，定子A、B、C三相繞組絕緣電阻合格，無明顯差別；直流泄漏電流及直流耐壓合格，且平衡。

2.4 缺陷的處理效果

更換下來的電木絕緣支撐塊如圖1所示。從圖1可以看出，該支撐塊已經(jīng)嚴重老化。并且在其與定子引線緊密接觸部位發(fā)現(xiàn)多處電擊放電痕跡，附著有黑色燒焦粉末。用2500V兆歐表測其絕緣電阻只有5MΩ左右，可以證實它已失去應(yīng)有的絕緣功能，且極易受潮。由此可以判定中性點處電木絕緣支撐塊老化是產(chǎn)生1號機定子繞組絕緣下降缺陷的主要原因。

圖1 電木絕緣支撐

2015年5月18日又對1號機進行了電氣試驗，試驗數(shù)據(jù)見表5。

表5 定子繞組絕緣電阻，吸收比、泄漏電流最終試驗結(jié)果

從表5可以看出，定子A、B、C三相繞組絕緣電阻合格，無明顯差別；直流泄漏電流及直流耐壓合格，且平衡；表5、表3中的試驗條件也十分相近（濕度較大）。再次證明最終缺陷查找部位是正確的，缺陷的處理效果很好。

3 結(jié)論

發(fā)電機定子繞組絕緣下降是水電廠比較常見的一類缺陷，黃龍灘水電廠1號機定子絕緣缺陷比較典型，它的電氣試驗數(shù)據(jù)反復(fù)上下變化，缺陷發(fā)生的比較隱蔽，且先后發(fā)生在不同相別，最后通過全面查找、綜合分析找出了故障所在，并成功消除。通過黃龍灘水電廠定子絕緣問題分析處理案例，可以得出以下四點結(jié)論僅供考：

（1）進行直流泄漏電流試驗?zāi)鼙容^直觀地反映出定子繞組端部的集中性缺陷[11-12]。

（2）直流泄漏電流偏大，除了檢查定子繞組受潮和污垢情況外，還應(yīng)重點檢查定子線棒槽口部位、兩端引線緊固部位、引線手包絕緣處和接頭絕緣盒等關(guān)鍵部位[13-14]。

（3）定子繞組接頭絕緣盒如有龜裂現(xiàn)象，應(yīng)立即用環(huán)氧膠將龜裂部位重新進行填充。

（4）繞組兩端引線的緊固部件是產(chǎn)生定子絕緣缺陷的高發(fā)部位，中性點處電木絕緣支撐塊老化是產(chǎn)生定子繞組絕緣下降的重要原因之一[15]。中性點絕緣支撐塊應(yīng)有良好的絕緣材質(zhì)制成，如是膠木材質(zhì)制成應(yīng)盡早更換為環(huán)氧絕緣材質(zhì)。

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Analysis and Treatment Case of Stator Insulation Problem of Hydro–generator

LI Zhen1, ZENG Xuyao2

(1. Huanglongtan Hydropower Plant of State Grid Hubei Electric Power Company, Shiyan 442000, China; 2. Liujiaxia Hydro Power Station, Yongjing 731600, China)

This paper selects Huanglongtan hydropower plant No.1 generator as a typical case, introduces research and treatment methods of the stator insulation problem, the results show that DC leakage current test can more intuitively reflect the concentration of the stator winding end defects, the winding on both ends of the lead fastening parts is a high incidence of stator insulation defects and should be paid attention to. The research results have important reference value for other similar problems.

generator; stator; insulation problem; case study

TM305.2

A

1000-3983(2018)02-0036-04

2017-09-10

李震（1976-），2004年6月畢業(yè)于華中科技大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，學(xué)士，現(xiàn)從事水電廠電氣檢修與試驗工作，高級工程師。