發電機定子線圈絕緣擊穿原因分析

陳緒濱（南方電網調峰調頻發電有限公司，廣東 廣州 510000）

1 故障簡況

2018年1月對某電廠發電機定子整體繞組進行直流耐壓試驗，耐壓前三相整體絕緣電阻測試正常，直流耐壓試驗在9 kV、18 kV、27 kV 三個試驗階段均正常，在35 kV下保持接近1 min時，電壓陡降，泄漏電流陡增，直流耐壓試驗不合格，耐壓后復測發電機整機絕緣電阻正常。解開發電機定子繞組出口連接和中性點連接，分別對三相進行直流耐壓試驗，A、C 相直流耐壓試驗結果正常；在對B 相進行直流耐壓試驗，電壓加至10 kV 時發生發電現象，通過現場檢查，發現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，從故障點剖開，檢查線圈內部絕緣狀況。

（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直線段約85 mm 處。

（2）線圈絕緣表層擊穿點和線圈導線表面的擊穿點處于同一位置，逐層解剖過程中，未發現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，一個是主絕緣包扎存在質量問題，另一個是主絕緣受到外力作用造成機械損傷所致。

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

（4）位于線圈擊穿點背面對應的主絕緣表面大面區域顏色發黃，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，露出內層的粉色主絕緣。

（5）由（3）和（4）可知，線圈擊穿點處的主絕緣產生了裂紋，在機組運行過程中，裂紋處在電場的作用下產生了局部放電，在局部放電活動所產生的熱量、臭氧、帶點粒子沖擊等作用，裂紋附近的主絕緣的環氧樹脂成分中不斷劣化，導致主絕緣顏色逐漸變黃，在放電活動最強的部分逐漸形成黃帶。擊穿點主絕緣的黃帶顏色由外層向內層顏色逐漸加深，表明此處的裂紋是由內向外發展的，擊穿點背面對應主絕緣的黃帶在解剖到絕緣中間層時消失，這表明了擊穿點背面的裂紋是由外向內發展的。

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

圖1 返廠解剖圖

2.2 膠含量分析

對擊穿點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《預浸料性能試驗方法第5 部分：樹脂含量的測定》進行膠含量測試。將樣品置于150 ℃±5 ℃烘箱中進行預處理，烘焙1 h 去除揮發物及潮氣，晾至室溫后，再置于（600±5） ℃的馬弗爐中進行高溫灼燒，灼燒2 h 后待冷卻至室溫后取出稱量，將測試結果進行計算后得到膠含量，膠含量結果如表1 所示。

表1 膠含量測試結果

對比各個地方主絕緣取樣測試結果可見，擊穿區域大小面與完好部分數據總體趨勢一致，外層到內層的膠含量表現為逐層增加，大面膠含量高于小面，這與擊穿無關，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，使得大力的壓強小于小面的壓強，因此，大面主絕緣的膠含量會比小面高；VPI 浸漆完成后，將線圈放入模具中對其進行烘焙熱壓固化，與模具接觸的表層膠會率先擠壓流出，所以內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（指用一定干燥氮氣或其他惰性氣體以一定的流量吹掃樣品室）下，測量物質的質量與溫度或時間關系的一種熱分析方法。TGA 實驗得到的曲線稱為熱重曲線（即TG 曲線），TG 曲線以質量（或百分率%）為縱坐標，從上到下表示質量減少，以溫度或時間做橫坐標，從左到右增加。通過TGA，可以檢測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象。它可評估材料的熱穩定性能，亦可對材料組分進行分析，也適用于評估產品壽命等。

本試驗所用儀器為美國TA 公司的Q50 熱重分析儀，樣品數有5 個，分別是擊穿線圈正常主絕緣、擊穿點表層第1 層主絕緣、擊穿點內層第5 層主絕緣、擊穿點背面線圈表層主絕緣以及擊穿點背面線圈內層主絕緣，溫度升至600 ℃，在氮氣氛圍進行實驗。

表2 TGA 測試結果

由表2 容易看出，線圈擊穿點及擊穿點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嚴重；擊穿面內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向外發展，尚未貫穿至表面，內層主絕緣的劣化程度相對嚴重；擊穿點背面表層主絕緣的表觀分解溫度比擊穿點背面內層主絕緣的表觀分解溫度低，是由于擊穿點背面的裂紋由外向內發展，尚未貫穿整個主絕緣，外層主絕緣的劣化程度相對較嚴重，這與解剖分析結果相一致。因此，線圈擊穿點處的主絕緣可能曾經受到機械損傷[1-2]。

3 結論及建議

3.1 結 論

通過返廠解剖檢查和試驗分析，可以得知，由于故障線圈在制作、運輸或安裝過程中受到了垂直于絕緣厚度方向的外力作用，對絕緣造成了機械損傷，致使主絕緣上產生了裂紋，在運行時，一方面，機組振動所導致的機械應力使得裂紋不斷擴大；另一方面，故障線圈裂紋處在出槽口處，該處的電場極不均勻，因此裂紋內部的局部放電尤為劇烈，局部放電所產生的加速電子，對線圈內部產生熱和機械作用，加之放電使空氣電離而產生臭氧及氮的氧化物的化學作用，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，加快了裂紋的擴大，而裂紋的擴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，當機組長期運行且又在這種惡性循環的作用下，絕緣劣化到一定的閾值，就在預防性試驗中或運行中擊穿，該機組B 相繞組在直流耐壓試驗中升至35 kV 時擊穿就證實了這一點。

3.2 建 議

結合經驗提出如下建議。

（1）加強運行人員對發電機定轉子絕緣情況的監視，做好應急準備工作。

（2）在安裝或檢修過程中嚴格把控工藝和流程，采用正確的工具并嚴格按照標準方法進行拆卸、裝配，防止因工藝問題影響設備質量，造成返工、非計劃停運等損失。

（3）加強對產品制作工藝、制作流程、驗收環節的把控。

（4）按照DL/T 492《發電機環氧云母定子繞組絕緣老化鑒定導則》，定期對該機組運行線圈進行老化鑒定試驗，對發電機定子繞組絕緣進行整體的分析評估，研究制定合理的技術改造或大修方案。