邊宏梁，王立鋒，陳祥福，周高遠(yuǎn)

（杭州力源發(fā)電設(shè)備有限公司，浙江 杭州 311202）

定子繞組故障是水輪發(fā)電機(jī)的一種常見故障，不僅會(huì)影響水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性，而且也會(huì)降低水輪發(fā)電機(jī)動(dòng)作靈敏度和接地保護(hù)可行性，甚至?xí)斐伤啺l(fā)電機(jī)出現(xiàn)斷路、短路等故障問題，進(jìn)而給水電站帶來一定經(jīng)濟(jì)損失。因此，研究水輪發(fā)電機(jī)定子繞組故障對于預(yù)防水輪發(fā)電機(jī)故障，提高水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性具有重要意義。

1 水輪發(fā)電機(jī)定子繞組故障特征

1）定子繞組斷路是由于接線不牢固或線路故障導(dǎo)致水輪發(fā)電機(jī)某點(diǎn)線路斷開。造成水輪發(fā)電機(jī)斷路故障的原因包括以下幾點(diǎn)：①繞組線圈繞線時(shí)，線圈高度高于端板內(nèi)徑或者線圈浸漆時(shí)觸碰到模具進(jìn)而造成斷線故障；②繞組線圈存在脫焊引出線拉斷等情況，造成定子繞組斷路[1]；③繞線穿套管或挑線時(shí)，用力過大造成斷線；④繞線裝箱過程中，套管暴露于箱外導(dǎo)致套管被壓住，進(jìn)而造成斷線；⑤繞組接線過程中，游離漆包線或者在裝機(jī)時(shí)造成漆包線斷線；⑥繞組接線時(shí)，由于人為因素或模具損壞造成塌包，并且裝機(jī)時(shí)轉(zhuǎn)子與線棒之間發(fā)生摩擦，造成線傷或斷線；⑦繞組脫漆時(shí)，漆包線斷線或者繞組漆膜并未完全脫落，造成繞組不通電；⑧定子繞組整形尺寸不符合設(shè)計(jì)要求，當(dāng)繞組線棒尺寸較大時(shí)，轉(zhuǎn)子與線棒之間會(huì)發(fā)生摩擦，導(dǎo)致繞組線棒損壞，進(jìn)而出現(xiàn)斷路情況。當(dāng)繞組線棒尺寸過寬時(shí)，繞組裝機(jī)時(shí)也會(huì)與機(jī)殼發(fā)生摩擦造成斷路現(xiàn)象[2]。

2）定子繞組短路故障是由于繞組線圈內(nèi)部存在絕緣損壞現(xiàn)象，導(dǎo)致繞組無法接通。造成定子繞組短路故障的原因包括以下幾點(diǎn)：①線圈繞線時(shí)由于漆包線存在質(zhì)量問題，導(dǎo)致繞組出現(xiàn)線傷，進(jìn)而造成短路故障；②繞組線圈接線時(shí)，漆包線和引出線連接位置存在裸露導(dǎo)線，或者引出線存在破損現(xiàn)象，導(dǎo)致裸露導(dǎo)線與繞組之間觸碰造成短路；③繞組導(dǎo)線漆膜存在破損情況，進(jìn)而造成繞組短路；④空氣潮濕導(dǎo)致繞組受潮，使得繞組絕緣性能下降，進(jìn)而引起短路事故；⑤定子加工過程中存在線傷短路情況，如加工工藝錯(cuò)誤、定子損傷等。

3）定子繞組擊穿故障是由于繞組線圈電壓過大，造成線路損壞。出現(xiàn)定子繞組擊穿故障的原因包括以下幾點(diǎn)：①定子繞組絕緣保護(hù)層存在破損情況，鐵芯和繞組擊穿[3]；②水輪發(fā)電機(jī)長期受潮，導(dǎo)致定子繞組絕緣性能降低，進(jìn)而造成定子繞組擊穿；③定子繞組線圈存在游離導(dǎo)線，導(dǎo)線與鐵芯之間發(fā)生接觸，進(jìn)而造成繞組擊穿；④定子繞組電氣間隙較短，造成繞組擊穿。

4）定子繞組反接故障是由于繞組S級與N極接反，導(dǎo)致繞組無法形成磁極回路。定子繞組正確連接方法是不同導(dǎo)線線尾和線尾連接，線頭和線頭連接，當(dāng)電子繞組出現(xiàn)反接故障時(shí)，會(huì)造成定子繞組啟動(dòng)困難。

2 水輪發(fā)電機(jī)定子繞組故障的診斷

2.1 水輪發(fā)電機(jī)組概況

某水電站最大裝機(jī)容量為1 080 MW，發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)年均發(fā)電量為2.75 TW·h。該水電站共6臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)均為密閉式自循環(huán)空氣冷卻水輪發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

該水電站水輪發(fā)電機(jī)定子繞組方式為雙層條形波繞組，定子極數(shù)為2P=60，槽數(shù)為540；支路數(shù)為3Y；鐵芯長度為1 850 mm；鐵芯內(nèi)徑為1 230 mm。發(fā)電機(jī)定子繞組生產(chǎn)工藝為全模壓一次成形，線棒端頭為銀焊結(jié)構(gòu)，絕緣結(jié)構(gòu)采用灌注膠填充；定子繞組線棒數(shù)量為1 080根，共9個(gè)分支，36個(gè)斜并頭，9個(gè)過橋。

2.2 水輪發(fā)電機(jī)故障過程

水電站4號(hào)水輪發(fā)電機(jī)定子繞組維修前進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)過程中，對水輪發(fā)電機(jī)持續(xù)加壓1 min，然后測得工頻耐壓為23.5 kV，4號(hào)水輪發(fā)電機(jī)定子繞組試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。當(dāng)對定子繞組V相分支持續(xù)施加電壓至10 kV時(shí)，電壓表指針出現(xiàn)歸零情況[4]。將定子繞組試驗(yàn)電壓歸零后，利用2 500 V和5 000 V電壓表測得定子繞組對地絕緣電阻為0。

表2 4號(hào)水輪發(fā)電機(jī)測試結(jié)果

2.3 故障點(diǎn)查找

水輪發(fā)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)并未出現(xiàn)異常聲音或冒煙等情況，由此可以推斷出，水輪發(fā)電機(jī)為小范圍故障。為查明故障，將水輪發(fā)電機(jī)移出機(jī)坑位，將水輪發(fā)電機(jī)上機(jī)架進(jìn)行拆除，觀察定子繞組外觀是否存在損壞情況。經(jīng)過檢查后發(fā)現(xiàn)，定子繞組線棒端部位置不存在異常情況[5]。在對定子繞組進(jìn)行故障檢查前，對定子繞組V相、W相和U相之路繞組進(jìn)行了絕緣測試，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從表中可以看出定子繞組絕緣合格；V1之路絕緣和吸收比均為0。

表3 定子繞組絕緣測試結(jié)果

2.3.1 直流降壓法

利用直流降壓法初步判斷定子繞組故障位置，然后利用直流電阻儀測試定子繞組V相和中性點(diǎn)對地電阻，測量電流為5 A，經(jīng)過測試后得出V相1分支電阻為150.42 MΩ，對地電阻為69.56 MΩ。結(jié)合歐姆定律和定子線棒接線結(jié)構(gòu)以及測試結(jié)果，初步判斷定子繞組故障位置在91~95槽內(nèi)位置，同時(shí)判斷其故障情況為金屬接地故障[6]。

2.3.2 直流高壓間隙放電法

在確定水輪發(fā)電機(jī)定子繞組故障范圍后，采用直流高壓間隙放電法明確定子繞組故障位置。首先利用50 kV耐壓裝置對V相進(jìn)行電流試驗(yàn)，測試過程中時(shí)刻觀察91~95槽放電情況。試驗(yàn)過程中，將電壓提升至3 kV時(shí)，定子繞組93槽出現(xiàn)放電聲音，經(jīng)過仔細(xì)觀察后發(fā)現(xiàn)，93槽線棒下端與鐵芯相接位置存在電火花，并且有放電聲音，由此可以推斷，定子繞組故障位置為93槽線棒下端位置[7]。將93槽線棒拔出后發(fā)現(xiàn)定子鐵芯沖片存在溢出情況，并且絕緣層已經(jīng)被損壞。

2.4 發(fā)現(xiàn)問題

從93槽線棒故障情況來看，定子繞組線棒絕緣損壞應(yīng)該為大面積、連續(xù)故障，將所有定子線棒拔出后對鐵芯進(jìn)行整體檢查，主要發(fā)現(xiàn)以下問題：500槽定子鐵芯沖片存在溢出情況；大部分定子鐵芯安裝不牢固，并且存在波浪超標(biāo)等情況；定子鐵芯硅鋼片存在彎曲變形情況，并且水平度超標(biāo)。

2.5 故障原因分析

針對以上故障問題，結(jié)合多年水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況和設(shè)計(jì)圖紙，推斷造成水輪發(fā)電機(jī)定子繞組故障的原因包括以下幾點(diǎn)：1）定子鐵芯壓緊方式不合理，鐵芯后端采用拉緊螺桿壓緊方法，該方法無法均勻、完全、緊固地將定子沖片壓緊[8]；2）水輪發(fā)電機(jī)啟動(dòng)和停止操作頻繁，由于該水電站為電網(wǎng)調(diào)峰機(jī)組，電網(wǎng)負(fù)荷會(huì)影響水輪機(jī)運(yùn)行時(shí)間，因此該水電站頻繁啟動(dòng)和停止操作導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行性能下降；3）水輪機(jī)啟動(dòng)時(shí)間短，該水電站水輪發(fā)電機(jī)2 min~5 min即可滿負(fù)荷，因此啟動(dòng)時(shí)間較短，發(fā)電機(jī)風(fēng)動(dòng)溫度提升幅度較大，導(dǎo)致定子繞組鐵芯溫度變化較快，由于定子繞組鐵芯長期處于溫度不均勻環(huán)境中，造成定子鐵芯出現(xiàn)變形情況；4）定子鐵芯安裝過程中壓緊不到位，通常情況下，定子鐵芯需要壓緊3次后進(jìn)行總壓，如果鐵芯壓緊不到位則會(huì)導(dǎo)致鐵芯出現(xiàn)沖片溢出、硅鋼片彎曲和疊片不緊等情況。

3 水輪發(fā)電機(jī)定子繞組故障的處理

3.1 接地處理

1）修復(fù)鐵棒，對定子線棒絕緣破損位置進(jìn)行修復(fù)，對于破損程度不嚴(yán)重的定子線棒采用現(xiàn)場處理方式，對于絕緣破損嚴(yán)重的定子線棒采用更新線棒或返廠維修等措施。2）重新拉緊錯(cuò)位螺桿，確保定子鐵芯水平度、波浪度符合設(shè)計(jì)要求。首先將定子鐵芯螺桿上的螺母取下，然后才能夠從不同方向壓緊鐵芯，確保鐵芯的裝壓緊度。同時(shí)根據(jù)定子繞組鐵芯設(shè)計(jì)要求，將螺母焊接在拉緊螺桿上，避免鐵芯出現(xiàn)松動(dòng)情況；其次根據(jù)測量標(biāo)記點(diǎn)測量定子鐵芯波浪度和高度，比對分析定子鐵芯壓緊前后數(shù)據(jù)，檢查鐵芯壓緊效果，并利用緊量工作檢查鐵芯沖片緊量，確保其推入深度不超過3 mm[9]。3）清理鐵芯，對故障鐵芯進(jìn)行平整處理，并清理鐵芯槽。利用銼刀將凸起部位打磨平整，保持階梯面和槽底平整，同時(shí)將鐵芯槽毛刺等清理干凈。4）將定子鐵芯下端損壞位置進(jìn)行修復(fù)，并按照設(shè)計(jì)圖紙為鐵芯安裝擋板，具體安裝方法如下：首先，選取1塊鐵板，將其加工為與鐵芯弧度一致的工件，并將其作為磁力段鉆吸座；其次，根據(jù)螺栓孔洞打樣沖眼找正，并將磁力鉆固定于墊板上；最后，在定子鐵芯下端部安裝墊塊。5）對清理后的定子鐵芯進(jìn)行鐵損試驗(yàn)，檢查鐵芯修挫位置溫度變化情況。6）按照水電站水輪發(fā)電機(jī)定子安裝工藝將線棒下線，然后對線棒進(jìn)行電氣試驗(yàn)，測試維修完成的定子繞組絕緣情況，以保證維修效果。

3.2 定子繞組故障預(yù)防措施

1）利用智能監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測水輪機(jī)運(yùn)行情況，如果水輪機(jī)存在故障問題，需要及時(shí)停止運(yùn)行進(jìn)行檢修，避免出現(xiàn)水輪機(jī)帶病復(fù)役情況。2）利用塑料布或防雨布將水輪機(jī)進(jìn)行遮蓋，避免灰塵、異物或水汽等進(jìn)入發(fā)電機(jī)組造成定子繞組損壞。3）水輪機(jī)檢測過程中如果環(huán)境濕度較大，則需要降低空氣濕度，避免定子繞組出現(xiàn)二次損壞。4）優(yōu)化水輪機(jī)檢修工序，盡量減少水輪發(fā)電機(jī)機(jī)架蓋板開啟次數(shù)，防止?jié)駳膺M(jìn)入設(shè)備內(nèi)部。5）在水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中，需要嚴(yán)格控制水輪機(jī)定子繞組溫度和水輪機(jī)入口風(fēng)溫，避免出現(xiàn)定子繞組超溫等情況。在水輪發(fā)電機(jī)維修過程中需要徹底清理水輪發(fā)電機(jī)鐵芯風(fēng)道和定子線棒，避免影響定子繞組和水輪發(fā)電機(jī)散熱效率，同時(shí)也有利于減緩定子繞組絕緣老化速度[10]。6）在采購水輪發(fā)電機(jī)設(shè)備時(shí)需要嚴(yán)格把關(guān)設(shè)備質(zhì)量和性能，并在水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中盡量減少頻繁大幅度增減負(fù)荷，同時(shí)積極處理水輪發(fā)電機(jī)諧波分量。7）在水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)應(yīng)及時(shí)處理發(fā)電機(jī)供電壓力，防止水源進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)部，如果水源進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)部則需要及時(shí)清潔鐵芯、通風(fēng)孔等，并檢查定子繞組線棒腐蝕浸漬等情況，同時(shí)重點(diǎn)檢查定子繞組線棒絕緣情況，必要時(shí)需要進(jìn)行絕緣測試。

4 結(jié)論

綜上所述，本研究闡述了水輪發(fā)電機(jī)常見故障特征，以某水電站為例，根據(jù)4號(hào)水輪發(fā)電機(jī)故障問題，對水輪發(fā)電機(jī)具體故障問題進(jìn)行了診斷，并分析了水輪發(fā)電機(jī)故障問題形成原因，利用直流降壓法和直流高壓間隙放電法確定了4號(hào)水輪發(fā)電機(jī)存在絕緣擊穿故障問題，定子線棒絕緣層有大面積磨損；鐵芯槽存在一定程度溢出情況；定子鐵芯波浪度超標(biāo)；定子鐵芯硅鋼片有彎曲變形現(xiàn)象。針對以上問題，采用修復(fù)定子線棒、重新拉緊螺桿、清理鐵芯、修復(fù)鐵芯等措施解決水輪發(fā)電機(jī)絕緣擊穿故障問題。同時(shí)采用水輪發(fā)電機(jī)故障預(yù)防措施能夠有效避免水輪發(fā)電機(jī)定子繞組出現(xiàn)故障的情況，有利于提高水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性。