發(fā)電機(jī)定子線圈絕緣擊穿原因分析

陳緒濱（南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司，廣東 廣州 510000）

1 故障簡(jiǎn)況

2018年1月對(duì)某電廠發(fā)電機(jī)定子整體繞組進(jìn)行直流耐壓試驗(yàn)，耐壓前三相整體絕緣電阻測(cè)試正常，直流耐壓試驗(yàn)在9 kV、18 kV、27 kV 三個(gè)試驗(yàn)階段均正常，在35 kV下保持接近1 min時(shí)，電壓陡降，泄漏電流陡增，直流耐壓試驗(yàn)不合格，耐壓后復(fù)測(cè)發(fā)電機(jī)整機(jī)絕緣電阻正常。解開發(fā)電機(jī)定子繞組出口連接和中性點(diǎn)連接，分別對(duì)三相進(jìn)行直流耐壓試驗(yàn)，A、C 相直流耐壓試驗(yàn)結(jié)果正常；在對(duì)B 相進(jìn)行直流耐壓試驗(yàn)，電壓加至10 kV 時(shí)發(fā)生發(fā)電現(xiàn)象，通過現(xiàn)場(chǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)B 相第三支路#24 槽上層線圈上端出槽口處主絕緣擊穿。

2 原因分析

2.1 返廠解剖檢查

將故障線圈拔出，從故障點(diǎn)剖開，檢查線圈內(nèi)部絕緣狀況。

（1）線圈故障位置位于槽口處，在可見防暈漆低阻帶末端往槽內(nèi)直線段約85 mm 處。

（2）線圈絕緣表層擊穿點(diǎn)和線圈導(dǎo)線表面的擊穿點(diǎn)處于同一位置，逐層解剖過程中，未發(fā)現(xiàn)沿著主絕緣層間的爬電痕跡，由此判斷，該線圈主絕緣的擊穿屬于垂直擊穿。造成垂直擊穿的可能原因有兩個(gè)，一個(gè)是主絕緣包扎存在質(zhì)量問題，另一個(gè)是主絕緣受到外力作用造成機(jī)械損傷所致。

（3）擊穿點(diǎn)表層的主絕緣顏色偏淺，從第3 層開始可觀察到擊穿點(diǎn)周向方向有一條明顯的黃帶，黃帶呈不整齊的帶狀，黃色由外層向內(nèi)層顏色逐漸加深，擊穿點(diǎn)周邊各層的絕緣均被燒黑。

（4）位于線圈擊穿點(diǎn)背面對(duì)應(yīng)的主絕緣表面大面區(qū)域顏色發(fā)黃，剝開表層絕緣后，大面及小面都可見一條黃帶，黃帶到絕緣中間層（絕緣厚度方向）后消失，露出內(nèi)層的粉色主絕緣。

（5）由（3）和（4）可知，線圈擊穿點(diǎn)處的主絕緣產(chǎn)生了裂紋，在機(jī)組運(yùn)行過程中，裂紋處在電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生了局部放電，在局部放電活動(dòng)所產(chǎn)生的熱量、臭氧、帶點(diǎn)粒子沖擊等作用，裂紋附近的主絕緣的環(huán)氧樹脂成分中不斷劣化，導(dǎo)致主絕緣顏色逐漸變黃，在放電活動(dòng)最強(qiáng)的部分逐漸形成黃帶。擊穿點(diǎn)主絕緣的黃帶顏色由外層向內(nèi)層顏色逐漸加深，表明此處的裂紋是由內(nèi)向外發(fā)展的，擊穿點(diǎn)背面對(duì)應(yīng)主絕緣的黃帶在解剖到絕緣中間層時(shí)消失，這表明了擊穿點(diǎn)背面的裂紋是由外向內(nèi)發(fā)展的。

根據(jù)分析初步判斷，線圈槽口處受到了垂直于絕緣厚度方向的外力作用，對(duì)絕緣造成了機(jī)械損傷，使得主絕緣上產(chǎn)生了裂紋。圖1為返廠解剖圖。

圖1 返廠解剖圖

2.2 膠含量分析

對(duì)擊穿點(diǎn)附近大小面以及正常部位主絕緣分別取樣，參照GB/T 32788.5—2016《預(yù)浸料性能試驗(yàn)方法第5 部分：樹脂含量的測(cè)定》進(jìn)行膠含量測(cè)試。將樣品置于150 ℃±5 ℃烘箱中進(jìn)行預(yù)處理，烘焙1 h 去除揮發(fā)物及潮氣，晾至室溫后，再置于（600±5） ℃的馬弗爐中進(jìn)行高溫灼燒，灼燒2 h 后待冷卻至室溫后取出稱量，將測(cè)試結(jié)果進(jìn)行計(jì)算后得到膠含量，膠含量結(jié)果如表1 所示。

表1 膠含量測(cè)試結(jié)果

對(duì)比各個(gè)地方主絕緣取樣測(cè)試結(jié)果可見，擊穿區(qū)域大小面與完好部分?jǐn)?shù)據(jù)總體趨勢(shì)一致，外層到內(nèi)層的膠含量表現(xiàn)為逐層增加，大面膠含量高于小面，這與擊穿無關(guān)，這是由主絕緣包扎和壓制工藝決定的，在同樣的包扎張力下，大面的受力面積大于小面的受力面積，使得大力的壓強(qiáng)小于小面的壓強(qiáng)，因此，大面主絕緣的膠含量會(huì)比小面高；VPI 浸漆完成后，將線圈放入模具中對(duì)其進(jìn)行烘焙熱壓固化，與模具接觸的表層膠會(huì)率先擠壓流出，所以內(nèi)層膠含量高于外層膠含量。

2.3 熱失重（TGA）分析

熱重分析法（TGA），指在程序控制溫度和一定氣氛條件（指用一定干燥氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w以一定的流量吹掃樣品室）下，測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量與溫度或時(shí)間關(guān)系的一種熱分析方法。TGA 實(shí)驗(yàn)得到的曲線稱為熱重曲線（即TG 曲線），TG 曲線以質(zhì)量（或百分率%）為縱坐標(biāo)，從上到下表示質(zhì)量減少，以溫度或時(shí)間做橫坐標(biāo)，從左到右增加。通過TGA，可以檢測(cè)材料在一定溫度程序下重量的變化及變化率，表征材料由于分解、氧化、脫附等引起的失重或增重現(xiàn)象。它可評(píng)估材料的熱穩(wěn)定性能，亦可對(duì)材料組分進(jìn)行分析，也適用于評(píng)估產(chǎn)品壽命等。

本試驗(yàn)所用儀器為美國(guó)TA 公司的Q50 熱重分析儀，樣品數(shù)有5 個(gè)，分別是擊穿線圈正常主絕緣、擊穿點(diǎn)表層第1 層主絕緣、擊穿點(diǎn)內(nèi)層第5 層主絕緣、擊穿點(diǎn)背面線圈表層主絕緣以及擊穿點(diǎn)背面線圈內(nèi)層主絕緣，溫度升至600 ℃，在氮?dú)夥諊M(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

表2 TGA 測(cè)試結(jié)果

由表2 容易看出，線圈擊穿點(diǎn)及擊穿點(diǎn)背面主絕緣的表觀分解溫度均低于線圈正常部位主絕緣的表觀溫度，主絕緣的表觀分解溫度比擊穿背面主絕緣的表觀分解溫度低，說明了擊穿面主絕緣的裂紋損傷程度相對(duì)嚴(yán)重；擊穿面內(nèi)層主絕緣的表觀分解溫度比擊穿表層主絕緣的表觀分解溫度低，是由于擊穿面的裂紋由內(nèi)向外發(fā)展，尚未貫穿至表面，內(nèi)層主絕緣的劣化程度相對(duì)嚴(yán)重；擊穿點(diǎn)背面表層主絕緣的表觀分解溫度比擊穿點(diǎn)背面內(nèi)層主絕緣的表觀分解溫度低，是由于擊穿點(diǎn)背面的裂紋由外向內(nèi)發(fā)展，尚未貫穿整個(gè)主絕緣，外層主絕緣的劣化程度相對(duì)較嚴(yán)重，這與解剖分析結(jié)果相一致。因此，線圈擊穿點(diǎn)處的主絕緣可能曾經(jīng)受到機(jī)械損傷[1-2]。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié) 論

通過返廠解剖檢查和試驗(yàn)分析，可以得知，由于故障線圈在制作、運(yùn)輸或安裝過程中受到了垂直于絕緣厚度方向的外力作用，對(duì)絕緣造成了機(jī)械損傷，致使主絕緣上產(chǎn)生了裂紋，在運(yùn)行時(shí)，一方面，機(jī)組振動(dòng)所導(dǎo)致的機(jī)械應(yīng)力使得裂紋不斷擴(kuò)大；另一方面，故障線圈裂紋處在出槽口處，該處的電場(chǎng)極不均勻，因此裂紋內(nèi)部的局部放電尤為劇烈，局部放電所產(chǎn)生的加速電子，對(duì)線圈內(nèi)部產(chǎn)生熱和機(jī)械作用，加之放電使空氣電離而產(chǎn)生臭氧及氮的氧化物的化學(xué)作用，引起線圈主絕緣的電腐蝕和熱老化，由于電腐蝕和熱老化的作用，加快了裂紋的擴(kuò)大，而裂紋的擴(kuò)大又加速了電腐蝕和熱老化作用[3-4]，這樣就形成了惡性循環(huán)，當(dāng)機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行且又在這種惡性循環(huán)的作用下，絕緣劣化到一定的閾值，就在預(yù)防性試驗(yàn)中或運(yùn)行中擊穿，該機(jī)組B 相繞組在直流耐壓試驗(yàn)中升至35 kV 時(shí)擊穿就證實(shí)了這一點(diǎn)。

3.2 建 議

結(jié)合經(jīng)驗(yàn)提出如下建議。

（1）加強(qiáng)運(yùn)行人員對(duì)發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子絕緣情況的監(jiān)視，做好應(yīng)急準(zhǔn)備工作。

（2）在安裝或檢修過程中嚴(yán)格把控工藝和流程，采用正確的工具并嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行拆卸、裝配，防止因工藝問題影響設(shè)備質(zhì)量，造成返工、非計(jì)劃停運(yùn)等損失。

（3）加強(qiáng)對(duì)產(chǎn)品制作工藝、制作流程、驗(yàn)收環(huán)節(jié)的把控。

（4）按照DL/T 492《發(fā)電機(jī)環(huán)氧云母定子繞組絕緣老化鑒定導(dǎo)則》，定期對(duì)該機(jī)組運(yùn)行線圈進(jìn)行老化鑒定試驗(yàn)，對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣進(jìn)行整體的分析評(píng)估，研究制定合理的技術(shù)改造或大修方案。