高壓電機引線故障分析與預防

王際華 王付鋼 呂季平

（華潤電力（海豐）有限公司，廣東 汕尾516468）

0 引言

火電機組的“六大風機”包括兩臺引風機、兩臺送風機和兩臺一次風機。當其中任何一臺風機的高壓電機發生故障時，整臺機組出力受阻至少50%，甚至會發生跳機事件，嚴重影響了機組的經濟性和穩定運行，由此導致的突然甩負荷也會對電網造成一定威脅。

1 000MW機組通常采用10kV高壓廠用電系統，基于啟動電流過大對廠用電系統電壓及其他廠用負荷影響的考慮，200kW以上的電動機一般采用高壓電機。高壓電機在高電壓、大電流下高速旋轉，無論在機械方面還是電磁方面，都易產生一系列的問題。諸如繞組匝間短路、繞組接地（相間）短路、引線故障、支柱絕緣子閃絡等電氣故障均為設備日常運行維護中發現的主要問題。本文以一起大型火電廠一次風機電機故障為例，分析問題產生的原因，并提出幾點預防此類高壓電機故障的方法。

1 故障現象及故障原因分析

1.1 保護動作分析

某3 150kW一次風機電機在負荷電流為131.8A運行時發生故障，DCS顯示定子各繞組溫度正常，10kV綜保接線及動作信息分別如圖1、表1所示。

圖1 一次風機電機保護裝置接線圖

表1 10kV一次風機電機故障發生時保護動作信息

當短路發生時，縱差和過流Ⅰ段保護同時動作，切除故障。由于兩個保護所接CT不同，短路時CT的飽和特性略有差異，因此，二次電流值相差0.32A，短路電流約為7.5kA。

縱差保護動作意味著故障發生在電機高壓側進線CT與中性點側CT之間，從10kV配電室至電機就地的供電電纜不在故障區間。作為高壓電機的主保護，當保護區間內（發電機引線、定子繞組等）發生相間短路時，縱差保護動作切除故障；若發生單相接地，零序電流保護靈敏度更高，動作于斷路器跳閘。由此可見，電機引線或定子繞組發生相間短路的可能性較大。

1.2 高壓試驗分析

經過現場觀察，電機高壓側接線箱被短路能量沖開并嚴重變形。內部檢查時發現，電機U相引線斷裂，V、W兩相銅排表面燒傷并變形，支柱絕緣子局部受損。為判斷電機內部定子繞組絕緣是否受到損傷，待電機熱量消散后，逐相繞組進行直阻測量、絕緣電阻測量及耐壓試驗，分析如下：

（1）從表2數據可知，三相繞組直阻幾乎完全平衡，且經過溫度換算后與出廠數據、交接試驗數據基本相同，排除了三相繞組發生匝間短路的可能性。

表2 故障后三相繞組相間直流電阻實測值

（2）絕緣電阻測量可判斷電機絕緣中是否存在諸如材料受潮等整體性缺陷。將非測試兩相短接并接地，利用兆歐表對測試相進行測量，發現絕緣電阻均超過10GΩ且數值平衡，初步排除了電機本體發生相間短路或相對地短路的可能性。

（3）電機出廠試驗電壓值為（2Un＋1）kV，以10kV電機為例，應進行21kV交流耐壓試驗，現場交接試驗按照出廠值的80%進行，即16.8kV。與局放、絕緣電阻、介損等預防性試驗不同，交流耐壓試驗為破壞性試驗，能發現絕緣材料中一些較大的集中性缺陷，但當試驗次數過多時，絕緣材料由于“累積效應”的原因會產生一定程度的損傷，從而加速絕緣老化。因此，基于已經進行的耐壓試驗次數、試驗電壓值、現場試驗環境等多方面考慮，決定采用諧振耐壓設備以16kV進行試驗，試驗持續1min，均未出現絕緣擊穿現象。

綜上所述，一次風機電機的本體絕緣沒有損傷。因此，高壓側接線箱內成為重點懷疑的故障區域。

1.3 故障點定位及故障原因分析

接線箱中用于支撐母排的支柱絕緣子采用硅橡膠材料，且由于沿海地區污穢嚴重，需要按照Ⅳ級污區中規定的爬電比距進行絕緣子爬電距離的選擇。基于定型產品的考慮，可采用經過海拔修正的高原型10kV絕緣子代替。硅橡膠材料具有優良的憎水性和耐污閃性能，一旦發生絕緣對地閃絡，絕緣子表面會由于漏電起痕而產生燒傷的溝道。從現場觀察發現，絕緣子明顯是由于外界應力導致的局部破裂，非電弧貫穿性損傷，且零序電流保護沒有動作，因此可以判斷，用于支撐母排的支柱絕緣子非故障的誘因。

至此，斷裂的U相高壓引線成為關注的重點，結合故障錄波（圖2）中10kV母線三相電壓值及零序電壓值，對故障持續過程及產生機理進行進一步的探尋。

圖2 故障錄波信息

如圖3所示，從引線斷裂的部位可以看到，斷裂處絕緣由于短路電流的熱效應而燒焦變形，V、W兩相銅排局部變形且表面有燒傷痕跡，V相銅排側傾于W相銅排方向。可以斷定，U相引線的斷裂處是整條引線的絕緣薄弱環節，當U相引線與V相銅排間施加10kV工作電壓時，引線線芯表面會形成較強的電場，在交流電場作用下，電場強度按容性分布，由于空氣的介電常數遠小于絕緣材料的介電常數，一旦絕緣層中存在集中性缺陷，小氣隙會由于場強的集中而不斷劣化。除此之外，電機在高速運轉時產生大量的熱，高壓側接線箱處于相對密閉的環境，熱量的累積會導致箱體內氣體溫度升高。隨著溫度的升高，高場強下引線絕緣的熱老化和引線與相鄰相銅排之間氣體絕緣熱游離逐漸加劇，在電機運行時振動力的助增下絕緣亦產生機械疲勞，當U相引線絕緣薄弱部位劣化至無法承受運行電壓的作用時，與V相銅排發生兩相相間短路，產生零序電壓。電弧產生的高溫使V、W相之間空氣溫度迅速增加，加之短路電動力使得V相支柱絕緣子受損，V相銅排側傾于W相，降低了相間距離，增大了相間場強，導致V、W兩相間空氣的熱游離，在故障持續第4.6ms時，形成了U、V、W三相短路，零序電壓消失。在短路電流熱積累的作用下，故障發生49.4ms時，U相引線導體熔斷并遠離V相銅排，位置逐漸趨近于W相銅排。V相銅排與U、W相之間熄弧，斷裂的U相引線與W相銅排之間電弧持續燃燒，直至故障發生第55.2ms時繼電保護動作，切除U、W兩相短路。

圖3 高壓側接線箱故障后狀況

2 高壓電機絕緣隱患預防措施

由于高壓電機內部環境復雜，在電場、磁場、機械力的聯合作用下高速旋轉，故電機絕緣故障率高于變壓器等靜止設備，特別是在當今高壓變頻器大量應用的環境下，電機的絕緣問題成為了制約其穩定運行的關鍵因素。在日常的運行維護中，可適當采取以下措施，將故障限制在初始階段，防止短路跳閘事故的發生。

（1）加強電纜引線絕緣。由于高壓絕緣引線工作于機械振動狀態，較宜采用具有較高柔韌性的硅橡膠電纜，且電纜截面可較計算截面大一級選取以降低導體表面的場強。南方沿海區域，夏季室外氣溫高達近40℃，且接線箱處于相對密閉的環境中，高溫是導致絕緣材料熱老化的主要原因。因此，可使用H級絕緣的引線電纜，加裝相同絕緣等級的引線護套，以補強引線處絕緣。為了避免銅排之間的相間短路，可在相間加裝具有一定厚度的環氧樹脂隔板并固定于接線箱箱體。接線箱采用下進線方式，避免雨水的侵入影響絕緣性能。

（2）加強支柱絕緣子絕緣。支柱絕緣子通常采用陶瓷、環氧樹脂、硅橡膠以及新型DMC等材料。無機陶瓷和環氧樹脂具有較高的抗拉、抗壓性能，但無法承受較大的振動和剪切力。硅橡膠絕緣子不僅具有優良的沿面性能，而且不會因為正常運行時的機械振動發生斷裂。由于沿海區域高鹽密、高污穢，可在硅橡膠表面涂刷PRTV以增強抗濕閃和污閃能力。

（3）局部放電監測。絕緣材料的老化過程通常都伴隨著局部放電量的增加。在定期巡檢過程中，利用局放定位設備對高壓電機的高壓側接線箱等部位進行局部放電量監測，當某臺電機放電量出現明顯增高時，需加強監視，在必要的情況下對此設備進行停機檢修。

3 結語

高壓電機絕緣故障嚴重影響了電機及發電機組的穩定運行，在日常維護中，應加大巡視力度，采用測量局放量、熱成像儀監測等方法尋找放電點。在機組停機檢修時，通過采用增加相間絕緣隔板、加裝高絕緣等級引線護套、更換優質絕緣子或涂刷PRTV等方法加強電機高壓引線部分的絕緣，避免此類問題重現。

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