邵 永 斌

（哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040）

0 前言

1 定子绕组击穿的原因

随着我国机电制备技术的不断改进，发电机的单机容量也不断提高。大型发电机是电力系统中最重要的主设备之一，大型发电机出现故障导致无法运行，将会造成巨大的经济损失和严重的后果。发电机损坏事故中有将近 50%是由定子绕组绝缘损坏引起的。定子绕组单相接地故障是发电机最常见的一种故障，严重时会烧毁定子绕组和铁心，造成巨大的经济损失。

本文通过实例介绍出现故障的原因， 便于电厂在运行维护时采取切实可行的预防和控制措施，防止事故扩大，提高事故分析的正确性[1]。

1.1 安装工艺的影响

工艺操作过程会影响电机安装质量。四川某电站20kV等级的发电机下层线棒，耐压试验时，多次在52kV下出现绕组下端放电现象，导致耐压试验无法进行。绕组端部清理完表面后，在复检过程中发现，端部仍然存在半导体硅橡胶颗粒（如图1(a)所示）。半导体硅橡胶颗粒是耐压试验放电的主要原因。经过安装公司技术人员仔细检查，发现槽口处溢出的半导体硅橡胶颗粒很容易脱落到端部表面，这就是端部绕组表面始终存在硅橡胶颗粒的原因。全面清理定子绕组槽口、端部表面硅橡胶颗粒，再进行耐压试验时，没有出现放电现象，耐压试验顺利通过。

定子绕组表面尖角毛刺没有清理干净，由于绕组表面电位较高，在高场强作用下，电荷容易集中到表面尖端部位，引起放电。在定子线棒下线过程中，如果不按工艺要求操作，或操作人员没有认识到绕组表面保持平整的重要性，往往会造成绕组表面尖角毛刺清理不干净，绕组表面容易产生局部放电现象（如图1(b)所示），不断腐蚀绝缘层，最终会缩短线棒主绝缘使用寿命。

图 1

2013年8月，四川某电站5号机组。已经安装完转子、上机架，在试验过程中，上机架盖板的固定螺栓脱落到上端铁心槽口处，划伤6根上层线棒主绝缘层（如图1(c)所示）、2根上层线棒引出线部位绝缘层。由于没有按照图纸要求操作，致使螺栓固定时没有锁住。在机组试验过程中，螺栓脱落，划伤绕组绝缘层，使机组无法进行下序试验，影响了正常的生产进度。

1.2 附属设备的故障

机组一些附属设备，在检修期间需要进行仔细检查，及时发现并消除隐患。如果设备超过使用年限，需要及时更新。

广西某电站1995年投产的18kV/220MW发电机，2013年6月，机组发生定子线棒下端绝缘盒击穿事故。4号机下层槽号124、140、144、149线棒，其下端的绝缘盒放电，露出裸铜线。放电原因是机组的冷却器管路漏水（如图2(a)所示），漏水量较大，水流顺着压指板流到绝缘盒上，降低了绝缘盒的绝缘性能，致使绝缘盒对地击穿。流到绝缘盒表面的水量较多，并混有灰尘油污等杂质，绝缘盒表面存在的杂质及水分造成绝缘盒表面电场畸变，引起绝缘盒沿面放电，同时在交流电场和水分的作用下，绝缘材料发生降解，直到绝缘盒的绝缘性能降低承受不住闪络击穿，瞬间发生了绝缘盒对地击穿。

图 2

2010年12月，广西某水电站地下电站爆破时山体积留的水流到厂房内，直接流到机组内。由于下端绝缘盒灌注胶有裂纹，水渗进去后引起上下层线棒接头的连接块处放电，放电处不但烧毁线棒的导线，还把附近的线棒绝缘烧毁。2013年07月，澜沧江某水电站由于空冷器波纹管（如图 2(b)所示）破裂，风洞内的积水在基坑内循环风的作用下，喷洒到发电机定子绕组的下端部，进而形成了相对地、相间短路，烧损了局部线棒接头。

1.3 手包绝缘不良

国产 200MW 汽轮发电机出现过明显的相间短路事故，易发生相间短路的部位有：定子绕组端部的引线手包绝缘、引线手包绝缘与异相线棒接头之间及汽侧端部高电位异相接头之间。相间短路原因如下[2]：1）手包绝缘没有固化成一体，绝缘层之间有空隙，油污，水汽容易顺着空隙进入绝缘层与导线之间的界面，减弱了绝缘性能；2）绕组端部固定结构强度低，在交变电磁力和热应力作用下，线棒与固定件之间会产生相对位移，磨损主绝缘。

1.4 存在异物

发电机在安装或大修期间，锯条头、螺钉、焊渣、铁丝头、金属条等异物遗落在机组内，会引起机组击穿事故。机组内遗留金属异物的主要原因就是操作工艺执行不力、检查验收不到位、操作者工作不细致。2009年 5月贵州某电站在进行 4号发电机（15.75kV/25MW）交接试验时发现定子三相泄漏电流不平衡，C相泄漏电流偏大，交流耐压试验顺利通过。当时分析认为是因为手包绝缘或绝缘盒灌注胶固化和干燥程度不够，不影响机组运行，最终投入运行。投运后的历次检修中做直流耐压试验时C相泄漏电流仍然偏大。2010年大修时曾请某电力试验研究院通过试验查找C相泄漏电流偏大的原因，但未查找到。2012年6月4号机组C相发生相间短路事故，由于定子线棒短路点已烧损（如图3所示）且未发现异物撞击定子线棒痕迹，无法准确鉴定事故的直接原因。经分析认为：线棒绝缘层存在缺陷的几率较小；拆开部分挡风板后发现有几处线棒端部表面有半导体杂物（硅橡胶残留痕迹），在定子线棒下线时，槽内半导体硅橡胶流出后未及时清理干净，半导体硅橡胶容易导致线棒表面放电而腐蚀绝缘层，最终出现相间短路。 4号机组C相泄漏电流偏大，与线棒表面状态及线棒间存在的导电杂物有关。泄漏电流大的情况在四川广安电厂也出现过[3]，广安电厂在检查泄漏电流大的原因时发现线圈端部距槽口360mm有5mm长直径1mm的钢丝。

图3 定子线棒相间短路部位

2012年5月云南某电站6号机组运行两年左右，小修期间发现绕组下端下层背面端箍上遗留一小段铁条，运行期间在交流电磁力的作用下，铁条不断磕碰线棒绝缘层，损伤线棒防晕层后进一步损伤主绝缘层，几乎切断主绝缘层，如果不是停机检修，肯定会酿成定子绕组击穿的事故。

天生桥一级水电站 1号机组运行不到二年，于2002年10月机组突然发生击穿短路事故，共有8根线棒烧毁，4个磁极匝间交流阻抗分布不均匀。事故源于U相 2-3分支间的匝间短路。发生事故的根源是在发电机现场组装施工中，遗留了一段长约44mm的铁物，斜搭在上、下层线棒的内侧间。由于热效应和振动机械磨损效应同时作用于铁物两端及线棒绝缘的表面，线棒的绝缘逐渐被破坏，最终发生击穿事故[4]。

2 定子绕组内部故障分析检测

研究发电机定子绕组内部故障时，基于快速傅立叶变换和小波变换技术建立了数学模型[5]，可以对不同运行工况下同步发电机定子绕组内部匝间短路故障的时频稳态和暂态特性进行相应的数值分析[6]。下面从另外几方面介绍分析定子绕组内部故障及解决措施。

2.1 多回路理论分析电机内部故障

定子绕组内部故障时气隙磁场的谐波很强，电机中惯用的参数不能用于分析内部故障。高景德及王祥珩1987年首次提出交流电机的多回路理论[7]。该理论把电机看作由若干相互运动的回路组成的电路，根据发电机定子绕组的接线方式，确定发电机定子绕组实际可能发生的相间和匝间短路数。运用多回路分析法对所有实际可能发生的短路进行计算，求得每一故障下各支路电流的大小和相位，包括中性点连线电流的大小。

国外也有一些学者开始利用多回路方法研究电机内部故障。1990年德国Kulig教授发表汽轮发电机内部故障的计算方法[8]。美国学者Toliyat和Lipo等人研究感应电机定子和转子绕组的瞬态故障，利用异步电机绕组不对称的多耦合电路分析方法并进行了实验室试验[9]。

为了提高多回路模型的精确度，更好地考虑铁心饱和及涡流的作用，高景德等[10]建立了多回路和电磁场有限元相结合的模型。在实验室电机和动态模拟电机上完成了各种工况下的仿真和试验对比，验证了场路结合模型有更高的仿真精度。当采用多回路分析方法研究电机内部故障时，其参数计算主要是指各回路的电感参数，这些参数多半与电机的转子位置有关[11]，即它们多为时变参数。用多回路法仿真研究电机内部故障，每个回路都需要写出方程，列成方程组后联立求解，因此方程的数量决定了求解方程组的难易程度。定子绕组内部短路时短路回路电流主要是由于直流励磁电流在其中产生的感应电势引起的，但其他回路的电流，其中也包括定子正常相内的环流以及故障相的正常支路间的环流，对短路回路电流亦有影响。因此短路回路电流计算误差增加，且其他支路电流更难以准确计算。

2.2 定子绕组单相接地故障及绝缘缺陷的定位方法

定子绕组与铁心间的绝缘被损坏会导致发电机定子接地。绝大部分定子绕组击穿短路前都要经历一段绝缘老化或磨损的过程，如能实时掌握定子绕组对地的绝缘状况就可以预测绕组是否会出现接地故障。

虽然定子绕组单相接地故障的危害较小，但它是更严重短路故障的先兆。及时发现接地故障将极大地降低发电机内部短路故障的发生概率，若能够进一步诊断出故障位置，将为接地故障后的处理工作提供更多的便利。若接地故障发生在发电机的机端引线或中性点外，保护装置能够诊断出故障位置，就能尽快排除故障，减少停机造成的损失；若接地故障发生在发电机绕组内部，诊断出故障位置也能加快检修进度。

因为缺少必要的故障信息，目前发电机定子单相接地保护还不具备定位故障的功能。毕大强等[12]研究结果表明，利用外加电源单相接地保护和基波零序电压保护所提供的故障信息，即外加电源定子单相接地保护计算的接地故障过渡电阻值和零序电压保护中的机端各相对地电压变化特点，可以对定子绕组单相接地故障进行定位。

党晓强等[13]提出一种对大型发电机定子绕组对地绝缘状况进行在线监测的新原理，并在此基础上提出在线确定接地短路点位置的新方法。定子绕组对地相对阻抗的数值可以反映其在线对地绝缘状况，根据接地故障时零序电压大小和相位来确定短路接地点位置的思路。

罗建等[14]利用零序网络和三次谐波电压等效网络来实时监测计算发电机定子单相接地电阻。这种方法需要故障定位程序，利用程序计算出接地故障点距离中性点的匝数占每分支绕组总匝数的百分比，当百分比小于2%时用三次谐波方法计算基础电阻，当百分比大于2%时用基波零序的方法来计算接地电阻，实现了监测绕组全长的接地情况的目的。

大型发电机定子绕组在进行直流耐压试验时，有时会出现三相泄漏电流相差较大，且泄漏电流随电压不成比例上升或突变的情况，这些异常情况表明发电机定子绕组绝缘存在缺陷。找到缺陷所在部位并予以消除，对提高发电机绕组的使用寿命具有重要意义，但有时定子绝缘的局部缺陷是不容易查找到的。定子绕组一相或一个支路的绝缘虽然能承受标准规定的直流和交流耐压试验的电压，但当其泄漏电流较其他相或支路高出许多时，说明绝缘存在某种缺陷。1999年7月大同第二发电厂6号发电机大修前耐压试验，发现其三相泄漏电流（直流耐压试验）严重不平衡，但通过了交流耐压试验。B相泄漏电流比其他两相的大几倍以上，因此怀疑B相绝缘存在缺陷。贾素云等[15]利用U型探测器检测B相绕组绝缘，根据局部泄漏电流偏大的特点，确定了绝缘局部缺陷的具体部位，拆除了有缺陷的线棒，避免了发电机重大事故的发生。

3 结论

目前发电机组容量越来越大，额定电压值也越来越高，为了避免出现大型发电机定子绕组故障，需要注意以下几方面的问题。1）在定子线棒下线后，必须清理干净槽部、槽口及端部表面附着的半导体硅橡胶颗粒，清理干净端部表面的尖角毛刺，避免耐压试验时出现放电现象；2）机组安装过程中，严格按照图纸要求和工艺要求操作，并且坚持复查制度，以提高操作质量，避免不必要的失误；3）机组附属设备的质量需要定期检查维护，超过使用年限的设备需要及时更新；4）机组安装或大修时，避免金属异物进入机组内部；5）电气试验时，泄漏电流偏大值超出标准要求的，一定仔细检查，查出原因，避免机组存在隐患运行而酿成事故。

利用多回路理论分析定子绕组内部故障是目前非常实用的方法，尤其是多回路理论与有限元计算结合，能动态模拟电机各种工况下的状态，能较准确地预测出定子绕组单相接地故障，并诊断出接地故障点。另外利用绕组端部绝缘缺陷与泄漏电流的关系，也能诊断出绕组绝缘缺陷的具体部位。

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