立軸半傘式發電機定子接地故障分析和解決方案的討論

楊慶長

摘 要 針對某公司#3發電機定子在C修前的熱態直流耐壓試驗中，發生C相繞組對地絕緣擊穿故障，提出查找故障點的方法和解決方案，以期對同類水輪發電機組的故障檢修有所幫助。

關鍵詞 發電機；定子；接地；故障查找；原因分析；解決方案；討論

中圖分類號 TM7 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）11-0075-03

The discussion of the ground fault analysis and solution of the vertical shaft

semi-umbrella generator

Yang Qingchang

China electric power development co.，LTD.，fujian nanping 353000

Abstract：In view of a company # 3 generator stator in C before hot dc withstand voltage test， C phase windings of insulation breakdown failure， find fault point method and solution is put forward， in order to help troubleshooting of similar hydroelectric generating set.

Keywords：generator stator；ground；fault finding；cause analysis；solution；discussion

某公司安裝有4臺水力發電機組，單機容量75MW，總裝機容量為300MW，設計多年平均發電量為9.6億千瓦時。機組型號為SF75-80/13000，發電機結構形式為立軸半傘式三相同步發電機，具有靜態可控硅勵磁系統和全封閉雙路徑向內循環空氣冷卻系統。其額定電壓為13.8kV，額定電流為3692A。定子繞組為Y形接線，中性點經消弧線圈接地運行，定子繞組和轉子繞組均采用“B”級絕緣。四臺機組分別于1987年、1988年、1989年、1990年相繼投產和并網發電。

發電機因當時的材料品質、制造質量、安裝工藝限制，自2000年起，4臺發電機定子在運行中多次發生接地故障和鐵芯松動、過熱，定子線棒整體下沉、端部松動、磨損露銅等缺陷。

#1發電機定子已于2014年完成改造，#2發電機定子已于2016年實施改造。包括更換定子機座（包括基礎板及螺栓）、鐵芯、定子線圈、定子通風槽片、定子齒壓板、拉緊螺桿、端箍裝配、絕緣盒、槽楔、彈性波紋板、槽內墊條、銅環裝配、定子鴿尾筋、主引出線及中性點引出線裝配等，定子絕緣等級由B級升至F級。改造后消除了長期困擾的機組鐵心松動、過熱缺陷，保證發電機安全高效運行，經濟效益顯著。

其他機組的定子目前尚未進行改造。

3發電機定子于2016年8月23日4：00左右的C修前的直流耐壓熱態試驗中，A、B相施加2Un耐壓正常，而C相施加11 000V（0.797Un）時發生對地絕緣擊穿的接地故障。

本文對發電機定子接地故障的原因進行淺析，并提出簡單有效的解決方案，期望對同類機組的故障搶修工作能起一定的指導作用。

1 查找接地故障點

故障發生的單位已有多次簡單而快捷的定子繞組接地故障點查找的成功案例。成功的方法為對發電機定子槽號進行標注，可每隔10槽標注一次；列出故障相的定子繞組的線棒連接表；采用直流焊機對某一故障相通流200A左右，在該故障相的引出線處測量對地電壓值，根據測量值初步判斷該相故障點的位置。繼續通流，在該位置附近的同一故障相繞組的上端部分別采用鉆頭在并頭套的絕緣盒上鉆孔，深度以露出并頭套可以測量對地電壓為準，分別測量對地電位，對地電位為“零電位”的地方即為接地故障點。采用同樣的方法，便可再找出該故障相的其他接地點（若有的話）。

對其他故障相的接地點查找，也采用同樣的方法。一般運行中發電機定子接地故障，均是一個接地點，但也不排除多個接地點的可能性。

水輪發電機定子繞組一般是每槽安裝兩根線棒，線棒接地故障有可能發生在上層線棒，也有可能發生在下層線棒。上層線棒接地后，只需更換故障的一根線棒（單根線棒接地時）或多根線棒（有多根線棒接地時），更換較簡單，工作量相對較小；而若是下層線棒接地，則每更換一根故障的下層線棒，往往需要拆卸14～16根上層線棒，工作量相當大，且拆卸過程中往往將再損壞上層線棒，所以現場處理時需要配備有足夠的線棒備品。一般搶修情況下，不建議拆卸下層故障線棒，對故障下層線棒不進行處理，而采取將故障線棒短接隔離的辦法，將故障點隔離開，機組暫先投運，之后再利用檢修機會進行更換下層線棒的工作。因水輪發電機組的定子繞組的線棒數較多，短接1～2根線棒，對發電機定子有一定的影響，但影響不大，發電機可正常運行。這樣，既可避免機組因搶修時間長造成“非停”受電網考核，又可讓機組正常運行至計劃檢修的時間再檢修，避免受調度部門考核。

以本次#3發電機定子接地故障處理為例，說明具體的查找方法。為方便查找#3發電機定子接地故障點和處理故障，決定吊開#3機上機架。

1）查閱圖紙，列出#3發電機C相定子繞組的線棒連接表。2）進行#3發電機定子槽號的標記工作。3）利用直流焊機通流（通流200A左右）法查找C相接地故障點。在故障C相的中性點C上、C下通入約200A直流電流，在C上、C下、C相出口處分別測量對地電壓值。

測量結果如下：

C上/E：-0.1558V；C下/E：+6.08V；C/E：+2.48V

判斷接地點位于C上與C之間的支路上。在C上與C之間的支路上采用鉆頭在并頭套的絕緣盒上鉆孔，深度以露出并頭套可以測量對地電壓為準。

故障相C相繞組線棒的連接為：463上—379下—378上—386下—392上—400下—414下—428下—420下—406下—392下—378下……

測量對地電壓結果如下：

463上/E：0.362V；379下/E ：0.125V；378上/E：0.039V；386下/E ：0V；392上/E：0V；400下/E ：-0.029V；414下/E：-0.072V；428下/E ：-0.1V；

420下/E：-0.19V；406下/E ：-0.232V；392下/E：-0.27V；378下/E：-0.307V；

判斷接地點在386下—392上線棒上。1）經熔開#386下層線棒與#392上層線棒所在的上端部并頭套，分別測量#386下層線棒對地絕緣和測量#392上層線棒對地絕緣，確認接地點在#392上層線棒側，再熔開#392上層線棒與#400下層線棒所在的下端部并頭套，測量絕緣后，判定接地點位于#392上層線棒上。2）拔出#392上層線棒后，發現該線棒靠端部槽口處的表面絕緣層已磨損，并已露銅，詳見圖2、圖3。

2 原因分析

#392上層線棒的槽口墊塊松動，運行中受電動力作用，松動的槽口墊塊磨損#392上層線棒，日積月累，將#392上層線棒的表面絕緣層磨損并露銅；機組風閘因密封問題，運行中會產生油霧，#3機風閘產生的油霧會更嚴重些，油霧會粘附在線棒端部表面上。

在本次C修前時，定子C相繞組僅承受正常的交流電壓，對地絕緣未擊穿，所以故障未出現。而在C修前的熱態直流耐壓試驗中，A、B相施加2Un正常通過耐壓，而C相施加11 000V直流電壓時發生對地絕緣擊穿的接地故障；因直流耐壓試驗主要考驗繞組的端部絕緣，A、B相絕緣良好，所以2Un直流耐壓順利通過；而C相絕緣存在薄弱點，所以在施加11 000V直流電壓時發生對地絕緣擊穿的接地故障。

3 解決方案

因#3發電機定子接地故障點在#392上層線棒上，無需吊開#3發電機轉子，只需拆除故障線棒正對的一只磁極后，再拆除故障線棒，更換為新線棒后，恢復磁極連接，進行相關試驗正常后，#3發電機便可并網發電，處理相對簡單。

解決方案有以下幾方面。1）#3發電機上機架吊離。2）將故障線棒正對的磁極拔出。3）拔故障線棒。4）備品線棒烘干及烘干后的相關試驗。5）嵌入新線棒，并打緊槽楔。6）新嵌入的線棒進行絕緣電阻、交流耐壓試驗。7）恢復并頭套，并灌錫。8）恢復絕緣盒，并灌環氧填充物，同時對故障點查找時鉆出的孔洞用環氧填充物進行封閉。9）對機組所有槽口墊塊進行檢查，對松動部位進行重新固定并刷膠。10）拔出磁極的復位。11）#3發電機定子電氣絕緣電阻、直流耐壓和泄漏電流、交流耐壓等試驗。12）測量轉子的絕緣電阻、交流阻抗，并做交流耐壓試驗。13）試驗正常后，回吊#3機上機架。14）機組零起升壓試驗檢查，測量機組出口空載電壓。15）并網帶負荷檢查機組溫升、電壓、電流情況。

4 關鍵點和處理要求

1）備品線棒烘干。烘干溫度控制在100℃（線棒為B級絕緣），烘干時間為10h。

2）備品線棒烘干后進行相關試驗。

3）為方便拆除和更換故障線棒，需拆除正對該故障線棒的一只轉子磁極。拆除磁極，需按以下方法進行：（1）做好記號。在鄰近故障線棒處的一只磁極上用記號筆做上記號，左、中、右各取一個基準點進行測量，做好明顯的標記，并記錄所測數據，同時測量磁極的安裝高度，以磁軛壓板為基準點，做記號并記錄數據。剝去磁極間連接線表面的絕緣，并拆除固定于磁軛上的螺栓止動墊片等，拆除阻尼繞組的連接片，使磁極處于獨立。用千斤頂支撐住已做好防護措施的磁極。（2）拔磁極鍵。用角向磨光機去除磁極鍵固定焊疤，做好防護措施，防止碎渣飛濺到鐵心和線圈處，影響機組運行。用鋼極吊鉤抓住上端磁極鍵，用橋機與吊鉤向上拔出磁極鍵。（3）用巨力尼龍吊繩套住磁極，將磁極從磁軛中拔起，當磁極露出磁軛20cm～30cm時，把吊繩相對磁極綁牢，以防在起吊過程中磁極翻倒、脫落，拔出時應注意保存磁極與磁軛間的彈簧。

4）拆除故障線棒。（1）不能使用敲打的方法拆卸上層線棒，防止因粘連拉傷下層線棒的絕緣，可采用千斤頂頂住鐵心外圓緩慢頂出或采用在橋機上掛手拉葫蘆手控操作。細心清理槽內碎渣，不得損傷鐵心和下層線棒絕緣，層間絕緣如有損壞需更新下層線棒。（2）擊穿線棒所在#392槽的鐵心可能由于過熱而受損，須認真檢查，如有受損，需用砂紙或銼刀將創面打磨，清理光滑，用吸鐵石吸除殘渣，用酒精或丙銅擦洗干凈，然后再涂環氧灰漆。

5）按工藝要求進行更換新線棒工作。

6）新嵌入的線棒打好槽楔后，進行絕緣電阻、交流耐壓試驗。在相鄰線棒端部用足夠數量的薄環氧板隔開，該下線后的單根線棒在槽楔中對機殼加壓，此時不參與試驗的繞組、測溫元件及鐵芯等均應與機殼可靠接地，被試線棒端部應用丙酮清洗并與鄰近線棒之間以絕緣材料隔離后，方可進行。

7）端部連接。（1）修正線棒的上、下引出頭，使對接的引出頭對齊對準。按正常狀態恢復連接，采用普通并頭套焊錫連接。連接后，需檢查端頭的焊接質量，100A大電流直阻測量小于5μΩ。（2）清理接頭，焊接表面焊錫應平整光滑、無毛刺。

8）對接地故障排查時在絕緣盒上鉆出的孔進行環氧填充物封閉，以防止發電機運行中定子絕緣性能下降。

9）整體試驗。（1）進行定子絕緣電阻、直流耐壓和泄漏電流、交流耐壓各試驗。本次故障線棒為#392槽上層線棒，是C相繞組，#392槽下層線棒也是C相繞組。按規程規定，局部更換繞組后，三相直流耐壓均需按2.5Un進行，考慮到本次是C修，C相按2.5Un進行直流耐壓試驗 ，而A、B相按2.0Un進行直流耐壓試驗；交流耐壓試驗：C相按規程規定進行1.5Un交流耐壓試驗，A、B相按1.3Un進行交流耐壓試驗。（2）轉子磁極整體耐壓試驗：絕緣電阻，直流電阻，交流阻抗及交流耐壓試驗（耐5Un一分鐘）。

5 結論

本次#3發電機定子故障處理后，雖投運正常，但僅是針對發電機定子存在的缺陷所能進行的簡單處理，無法徹底解決#3發電機定子的絕緣問題。

為徹底解決#3發電機的事故隱患，已申報#3發電機定子改造技改項目，分為2017年、2018年實施。