水輪發電機定子槽電位超標的原因分析與處理應用

國網湖南省電力有限公司水電分公司 譚海霞

發電機定子線棒不可避免的與定子鐵芯槽壁之間存在間隙，如定子線棒的槽電位較高，易導致線棒表面與鐵芯間產生電容性火花放電。這種高能量的放電將破壞定子線棒端部的防暈層，引起線棒發熱和絕緣材料的電腐蝕，進而加速絕緣老化，嚴重影響線棒的絕緣強度和使用壽命，甚至對定子繞組的主絕緣造成危害，使定子線棒燒損，發電機保護動作導致發電機非停的重大安全事故和經濟損失。

1 問題提出及原因分析

某水電站2號發電機生產于1987年1月、于1990年10月正式投運。在2020年5月至7月期間，該水電站2號發電機組進行A 級檢修，試驗人員在開展定子線棒槽電位的試驗時，對全部216槽進行逐一測量，發現第2、3、4、6、7、12等共計30槽的線棒表面電位超過Q/GDW 11150-2019《水電站電氣設備預防性試驗規程》的要求（施加額定交流相電壓，用高內阻電壓表測量繞組表面對地的電位值，測得連續各點電壓的差別不大于5V，單個點電壓在10V 以下），均大于10V，最高電壓達到53.8V。

1.1 定子線棒的表面電阻率分布不均

通過觀察退下來的槽楔發現，有一半以上的線棒單從表面顏色來看就有明顯的區別。這些線棒的顏色大致從中間分段，一半為灰色、一半較黑且亮，一般情況下灰色部分的半導體性能明顯，黑色部分因為制造時含有較多膠體，半導體性能要差一些。用表計測量線棒的表面電阻率相差較大，運行時必然導致線棒表面的場強分布不均，發生畸變，使得槽電位在同一線棒的同一平面上差別很大。有的部位因電阻率很高，會造成線棒局部的槽電位過高。

1.2 定子線棒和鐵芯接觸的緊密程度不夠

機組運行的年限過長，多次振動帶來的累積效應引起槽楔松動，且槽內的半導體漆在長時間運行狀態下產生的高溫將導致部分膠體脫落形成流膠；在鐵芯槽內噴漆和涂膠時無法保證各個部位的厚薄均勻且無花斑。采用手工包制的線棒主絕緣表面可能會凹凸不平，不能緊密貼合鐵芯槽壁，使得安裝的定子線棒在鐵芯槽內的間隙過大，二者的接觸程度不夠緊密。這些情況都將導致線棒表面與鐵芯間不能形成等電位，引發電容性放電，使槽電位升高。

1.3 定子線棒表面與槽楔受力不均

槽楔打的不緊會使線棒和槽楔、槽壁間接觸不良或出現間隙，容易產生電腐蝕。在傳統的安裝工藝下線棒與槽楔間是剛性連接，且機組在長期運行后其絕緣材料會有一定的收縮量，槽楔出現松動，致使其與線棒表面的受力不再均勻，線棒和鐵芯槽壁接觸不良、槽電位上升。

1.4 定子鐵芯表面接觸電阻值過高

在鐵芯疊裝前，考慮到金屬表面發生氧化或腐蝕現象會影響鐵芯的電磁性能，需給鐵芯表面涂抹一層堅硬、具有一定絕緣電阻且耐熱的半導體漆。這種半導體漆是由環氧酚醛樹脂清漆和500目膠體石墨按照規定比例混合、攪拌而成的一種漆液。若漆液的攪拌不夠均勻且涂抹時厚薄不一，必然導致半導體電阻率超標。一旦鐵芯表面的半導體電阻率過大，定子線棒和鐵芯槽壁間的接觸電阻值也將大幅增加，引起線棒表面對地的電位升高。

2 處理措施

在定子線棒的制造過程中，應盡早聯系生產廠家，要求其技術人員必須保證線棒表面防暈層的半導體材料分布均勻，并確保線棒棱角處與線棒平面上的電阻率一致；通過縮短鐵芯槽與定子線棒間的配合公差尺寸，以減小槽內線棒表面與鐵芯槽壁的間隙。當線棒全部入槽后，在鐵芯槽壁與定子線棒的間隙中加塞0.1mm 或0.2mm 等不同厚度的半導體墊條，減小了兩者間的間隙、提高了槽滿率，增多了定子鐵芯與線棒表面的接觸點，從而也減小了接觸點之間的跨步電壓。當施加1個額定的交流電壓時，定子線棒、半導體墊條和鐵芯之間在無間隙和有間隙這兩種情況下的等效示意圖如圖1、圖2。

噴涂在定子鐵芯表面的半導體漆，應是按比例加入環氧酚醛樹脂清漆和500目膠體石墨攪拌成漆液后，經測量其電阻率符合要求后方可噴涂，且在噴涂時應嚴格控制膠的用量及所噴厚度，做到均勻無花斑，以保證鐵芯表面接觸電阻合格；在鐵芯槽底加墊適形材料的半導體滌綸氈墊條。如遇到槽底放有測溫元件時，還應在墊條的對應部位開孔，以保證測溫元件不被壓壞，使線棒在槽內接觸平整；選用適合發電機定子上、中、下層的槽楔，以便于打緊槽楔和確保槽楔與線棒表面的受力均勻。對于槽楔松緊的一般要求是：槽楔靠鐵芯下端的第一節全緊、無空啞聲，第二節空啞聲不超過三分之一；上端第一節全緊，上端第二節、中部各空啞聲不超過三分之一。

3 應用及效果

某水電站2號發電機的額定容量為7MW，以此為例，在2號機組定子槽電位超標的問題上，依據上述分析的四點原因開展逐一排查。在嘗試用塞尺測量30個槽電位超標的線槽時發現，定子線棒與鐵芯槽壁的間隙最大為2mm、最小也達到0.35mm，兩者之間存在明顯的間隙，且不滿足GB/T 8654-2003《水輪發電機組安裝技術規范》中定子線棒與鐵芯槽壁的間隙需小于等于0.25mm 的要求，是導致槽電位超標的主要原因。隨即在2號發電機上，針對這一確定的主要原因實施了前述降低槽電位的處理措施：

首先，松開下端的槽楔綁線，用木板或環氧板抵住槽楔通風孔，用力敲擊木板或環氧板退出槽楔，注意力道，防止退出過程中刮破線棒或碰傷鐵芯。然后對定子槽進行吹掃、清洗。接著在槽壁、線棒與鐵芯的間隙處均勻涂刷低電阻半導體防暈漆，待其晾干后開始回裝，根據定子線棒與槽壁的間隙塞入0.1mm 和0.2mm 厚的半導體墊條，直至塞不進為止。確保打入槽楔后符合槽楔松緊的要求。最后采用浸入環氧絕緣膠（由A 組份、B 組份的B 級絕緣膠和丙酮按1∶1∶2的比例配置而成）的玻璃絲帶，并讓它以晾至半干、軟而不濕的狀態將最下層的槽楔綁扎完，再用環氧絕緣膠噴涂一遍，使綁扎帶與槽楔牢牢地固定住。

經過以上處理后，同樣采用400kVA 發電機并聯諧振耐壓裝置和BS471101型高內阻數字式萬用表對槽電位超標的定子線棒重新測量，其試驗結果見表1。

表1 某水電站2號發電機定子槽電位超標處理后的試驗數據（部分）

以上試驗數據均是在發電機繞組溫度21℃，環境溫度21℃，相對濕度70%的條件下測得。通過處理前后數據對比可知，處理后的定子槽電位均在5V以下，證明了上述提出的降低槽電位的處理方法和技術措施是行之有效的，在實際應用中取得了理想的效果。

綜上，通過對影響槽電位大小的各個因素和傳統的安裝工藝方法進行分析，提出了針對性的處理方法和技術措施，為今后處理水輪發電機定子槽電位超標等類似問題提供了可借鑒的成功經驗。