錦屏二級(jí)水電站7#機(jī)組發(fā)電機(jī)定子繞組一點(diǎn)接地故障分析及處理

孫 彬，邱小耕，李佳佳

(四川二灘國(guó)際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川成都 611130)

1 概述

錦屏二級(jí)水電站發(fā)電機(jī)由天津阿爾斯通公司設(shè)計(jì)與制造，發(fā)電機(jī)定子繞組由單匝線棒組成，6支路并聯(lián)，“Y”形連接，主引出線從-Y軸方向引出。中性點(diǎn)引出線從第二象限引出，與+Y軸成50°角。中性點(diǎn)引出線分為2組中性點(diǎn)，一組為U、V、W 相的1、2、3 支路，另一組為 U、V、W 相的4、5、6支路，2組中性點(diǎn)引出線聯(lián)接在一起并采用電力電纜引出至接地變壓器接地。發(fā)電機(jī)注入式定子接地保護(hù)可單獨(dú)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)100%定子接地保護(hù)，與基波零序電壓、三次諧波電壓定子接地保護(hù)一樣，為RCS-985發(fā)電機(jī)全套保護(hù)中的一個(gè)組成部分。

2 定子一點(diǎn)接地故障位置分析

電廠運(yùn)行人員在2015年3月20日14時(shí)50分巡視7#機(jī)組時(shí)聞到刺激性絕緣異味，隨即發(fā)現(xiàn)7#機(jī)組下齒壓板溫度高達(dá)71．5℃，平均溫度為31．2℃，最終于2015年3月20日15時(shí)2分故障停機(jī)。事故發(fā)生后，首先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)7#機(jī)組故障錄波裝置的故障波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，U20(20Hz零序電壓)和I20(20Hz零序電流)波形發(fā)生異常，U20一個(gè)周波內(nèi)有效值達(dá)到1．182V(二次側(cè))，I20一個(gè)周波內(nèi)有效值瞬時(shí)達(dá)到0．01mA(二次側(cè))，故障發(fā)生前的其他相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。通過(guò)對(duì)點(diǎn)故障錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析得知:A、B兩相電壓升高，C相電壓降低，屬典型非直接接地系統(tǒng)單相接地故障特征，發(fā)電機(jī)C相發(fā)生了單相接地故障。

表1 故障發(fā)生前相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)表

由表1可以看出:C相電壓已經(jīng)嚴(yán)重不平衡，機(jī)端零序電壓大于中性點(diǎn)零序電壓。由于錦屏二級(jí)水電站發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)是經(jīng)接地變方式接地的，發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的機(jī)端三次諧波電壓US3與中性點(diǎn)三次諧波電壓的比值為:(機(jī)端總電納)(其中)(中性點(diǎn)總電納)。式中為發(fā)電機(jī)每相對(duì)地電容;為機(jī)端每相外部對(duì)地電容;L為中性點(diǎn)接地變電抗)。只有當(dāng)發(fā)電機(jī)未并列運(yùn)行且中性點(diǎn)不接地變時(shí)，恒有。因此，中性點(diǎn)的三次諧波電壓總是大于機(jī)端三次諧波電壓的。故障發(fā)生前的相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電壓與發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)零序電壓的比值為1．247。結(jié)合故障發(fā)生前C相電壓異常可以判斷發(fā)電機(jī)C相繞組靠近中性點(diǎn)，可能存在接地故障(圖1)。通過(guò)相關(guān)計(jì)算，首先判斷接地故障類別:

(1)接地類別判斷。

式中 100V為發(fā)電機(jī)出口PT開(kāi)口三角形電壓，故可確定故障點(diǎn)應(yīng)位于距中性點(diǎn)18%附近的位置。

(2)接地過(guò)渡電阻Rf及接地部位的計(jì)算。

圖1 發(fā)電機(jī)C相接地故障示意圖

由于錦屏二級(jí)水電站發(fā)電機(jī)定子100%接地采用RCS-985U低頻注入電源和RCS-985保護(hù)裝置兩部分共同實(shí)現(xiàn)，而RCS-985U為低頻20Hz注入電源。當(dāng)發(fā)電機(jī)定子繞組的對(duì)地絕緣正常時(shí)，注入到定子繞組的低頻電流主要是流過(guò)定子繞組的對(duì)地電容電流;當(dāng)對(duì)地絕緣受到破壞、出現(xiàn)接地故障時(shí)，注入的電流將流過(guò)接地故障點(diǎn)而出現(xiàn)一部分電阻性電流。當(dāng)保護(hù)裝置檢測(cè)到注入的低頻電壓、電流時(shí)，通過(guò)導(dǎo)納法可以準(zhǔn)確計(jì)算出接地故障的過(guò)渡電阻值。所計(jì)算的電阻值與定子繞組的接地故障位置無(wú)關(guān)，但其可以反映發(fā)電機(jī)100%的定子繞組單相接地。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際繞組進(jìn)行檢查得知，故障發(fā)生部位在180槽下側(cè)上層線棒靠近齒壓板區(qū)域。從繞組擊穿部位看，此次接地故障應(yīng)為非金屬接地故障，是因電弧發(fā)生接地故障。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)繞組三相絕緣電阻進(jìn)行檢測(cè)得知，A、B相正常，C相無(wú)法加電壓且阻值小于10kΩ。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)7#機(jī)組發(fā)電機(jī)繞組C相第180槽上層定子線棒絕緣被擊穿，發(fā)生接地故障。發(fā)電機(jī)定子槽數(shù)為432槽，每相由6個(gè)分支繞組并聯(lián)，每個(gè)分支繞組包含24匝線圈，經(jīng)核對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組圖，第180槽的上層線棒處于C相第2分支的第5．5匝位置(以發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)為起點(diǎn))，因此，故障點(diǎn)，與理論計(jì)算值基本吻合。

3 故障產(chǎn)生原因分析

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際發(fā)生故障部位進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)該故障部位處于定子直線段下側(cè)靠近齒壓板部位。值得注意的是:該線棒下端絕緣盒灌注膠表面有開(kāi)裂的痕跡，應(yīng)是線棒內(nèi)部聚集高溫，然后在線棒絕緣最薄弱區(qū)域向外擊穿，進(jìn)而導(dǎo)致對(duì)齒壓板放電，發(fā)生定子一點(diǎn)接地故障。通過(guò)對(duì)定子繞組損壞線棒外觀情況、解剖后變形情況進(jìn)行詳細(xì)檢查、分析，我們得出了以下結(jié)論:

(1)大型發(fā)電機(jī)定子線棒在絕緣層或絕緣層與股線之間可能存在氣隙或雜質(zhì)。運(yùn)行過(guò)程中，在電、熱和機(jī)械力的聯(lián)合作用下也會(huì)直接或間接地導(dǎo)致絕緣劣化，使得絕緣層間等產(chǎn)生新的氣隙。由于氣隙和固體絕緣的介電系數(shù)不同，這種由氣隙(雜質(zhì))和絕緣組成夾層介質(zhì)的電場(chǎng)分布是不均勻的，在電場(chǎng)作用下，當(dāng)工作電壓達(dá)到氣隙起始放電電壓時(shí)便會(huì)產(chǎn)生局部放電。局部放電起始電壓與絕緣材料介電常數(shù)和氣隙的厚度密切相關(guān)。

(2)由于廠家現(xiàn)場(chǎng)工藝要求需對(duì)線棒直線段填充半導(dǎo)體硅膠低阻帶，以保證低阻帶和線棒本身的防暈層良好接觸，待半導(dǎo)體硅膠固化后，確保線棒與鐵芯等電位，防止電暈的產(chǎn)生。值得注意的一點(diǎn)是:低阻帶在上、下鐵芯端部截止部位的位置高出鐵芯兩端各15mm，此部分由于未受到鐵芯的擠壓，固化后仍可能存在間隙并在失去電接觸后而產(chǎn)生容性放電，從而導(dǎo)致線棒表面的腐蝕和損傷;另外，發(fā)電機(jī)下導(dǎo)、推力軸承油槽會(huì)有汽化的透平油霧存在，在夾雜自冷卻氣流帶動(dòng)的雜質(zhì)、灰塵的情況下，受污染的油霧被粘在線棒絕緣層表面液化，對(duì)繞組表層絕緣造成緩慢破壞。

(3)線棒在下線過(guò)程中可能由于人為因素對(duì)該根線棒造成外絕緣損傷，以及機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中定子繞組溫度的影響，最終造成絕緣層無(wú)法承受正常運(yùn)行電壓而導(dǎo)致由內(nèi)向外的絕緣層被擊穿。

4 現(xiàn)場(chǎng)采取的處理措施

拆除磁極;用棉布對(duì)177～183號(hào)線棒區(qū)域上下層之間的間隙進(jìn)行防護(hù)，防止塵渣遺留在下層線棒表面;拆除上下端絕緣盒并剔除絕緣盒灌注材料;剔除槽楔，去掉波紋板、保護(hù)墊條、滑動(dòng)墊條和層間墊條;拆掉線棒端部的綁扎帶，取出該線棒左右兩邊的端部斜邊墊塊和聚酯氈，拔出線棒;打磨181號(hào)線棒下端部R部位的發(fā)黑部分;對(duì)新線棒進(jìn)行絕緣電阻和耐壓試驗(yàn)，然后采用與安裝時(shí)相同的工藝進(jìn)行定子繞組安裝，涂刷DK222(面漆)并干燥。重新進(jìn)行定子繞組預(yù)防性直流耐壓50kV試驗(yàn)、交流耐壓30kV試驗(yàn)，試驗(yàn)合格后可具備開(kāi)機(jī)并網(wǎng)條件。

5 結(jié)語(yǔ)

發(fā)電機(jī)定子一點(diǎn)接地是水電站機(jī)組比較常見(jiàn)的故障之一。定子下線過(guò)程中，一個(gè)小的失誤都可能導(dǎo)致類似故障的發(fā)生。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理人員在機(jī)組安裝過(guò)程中，通過(guò)深刻理解制造廠提出的技術(shù)要求、設(shè)備性能，同時(shí)對(duì)工藝執(zhí)行過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格管控和把關(guān)，將現(xiàn)場(chǎng)施工階段可能導(dǎo)致類似故障發(fā)生的各種因素徹底消除，就能夠?yàn)闄C(jī)組長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定良好的基礎(chǔ)。