發電機定子線棒層間墊條缺陷引起的絕緣擊穿分析

潘劍南，李浩良

(廣州粵能電力科技開發有限公司，廣州 510075)

0 前言

大型發電機定子繞組由嵌裝在鐵芯槽內的上下層線棒組成。每一根線棒由幾十根相互絕緣的股線經過編織、換位、膠化成型后包繞環氧云母帶，再通過真空壓力浸漬技術、模壓技術成型。線棒槽部絕緣表面還要涂刷一層半導體防暈層，以減少絕緣材料和槽壁之間的電暈放電。在發電機運行過程中，定子線棒會受到很大的交變電磁力作用，其頻率為100Hz，以徑向電磁力為主，切向和軸向電磁力較少[1-4]。為了防止線棒振動，保證線棒防暈層與鐵芯穩定良好的接觸，線棒下線時在鐵芯槽底、線棒層間、線棒與槽壁的氣隙間均加塞半導體填料。定子繞組槽部固定結構如圖1所示。槽楔、波紋板、層間墊條和槽底填料組成徑向固定結構，而側面填料或者側面波紋板組成切向固定結構[5-8]。

圖1 定子繞組槽部固定結構

如果定子繞組端部支撐、綁扎和槽部固定的工藝不符合技術要求，定子繞組就會產生很大的振動，極易引起槽內間隙產生電火花放電，使絕緣表面發生電腐蝕，加速線棒絕緣劣化。因此，定子繞組的槽部固定結構和絕緣系統的制造工藝不僅影響發電機安全運行，還決定了發電機的運行壽命。本文以一起燃氣輪發電機定子繞組交流耐壓試驗絕緣擊穿問題為例，通過相關檢測，推斷出絕緣擊穿的原因，并提出相關防范措施。

1 試驗情況

1.1 直流耐壓試驗情況

某電廠3號發電機是燃氣輪發電機，定子繞組采用軸向密閉循環空氣冷卻方式，轉子空內冷。定子繞組為雙層2支路并聯繞組，一共72槽。其基本技術參數見表1。

表1 發電機技術參數

3號發電機自2016年4月開始投入商業運行，并網發電5年后在2021年2月停機進行大修檢查。按照 《電力設備預防性試驗規程》的要求，發電機大修在抽出轉子前，需要進行定子繞組直流耐壓試驗和交流耐壓試驗，檢查其絕緣狀況是否良好。耐壓試驗前定子繞組絕緣電阻測量結果見表2，測量結果符合預防性試驗標準要求，隨即對定子繞組進行試驗電壓為2.5倍額定電壓的直流耐壓試驗。試驗電壓按每級0.5倍額定電壓分階段升高，每階段停留1min后記錄泄漏電流。A相定子繞組在各階段試驗電壓下的泄漏電流不隨時間延長而增加，試驗過程中未出現爬電和放電等異常現象，直流耐壓試驗通過，試驗結果見表3。B、C兩相定子繞組在第一次加壓過程中出現放電現象，加壓設備跳閘。測量其絕緣電阻和吸收比，測量結果未發生明顯變化，表明B、C兩相定子繞組絕緣未擊穿。排除了測量誤差和試驗回路的不正常因素影響后，對B、C兩相定子繞組進行第二次直流耐壓試驗，結果在更低的試驗電壓下出現放電現象。為了進一步確認放電原因，對B、C兩相定子繞組進行第三次直流耐壓試驗。B、C兩相定子繞組在6.9kV以下就發生放電現象，試驗設備跳閘，試驗結果見表4和表5。測量其絕緣電阻仍符合標準要求，定子繞組絕緣仍未擊穿。在發電機抽出轉子后，檢查了定子繞組汽勵兩側端部，未能發現明顯的放電痕跡，初步判斷絕緣缺陷可能位于線棒槽部直線段。

表2 定子繞組對相間及地的絕緣電阻和吸收比測量結果

表3 A相定子繞組直流耐壓試驗結果

表4 B相定子繞組直流耐壓試驗結果

1.2 交流耐壓試驗情況

由于B、C兩相定子繞組存在絕緣薄弱點，絕緣未完全擊穿，而直流耐壓試驗未能有效地找出絕緣薄弱的位置。因此決定對定子繞組進行工頻交流耐壓試驗，試驗電壓為1.5倍的額定電壓，試驗時間持續1min，試驗結果見表6。A相定子繞組在試驗電壓下持續1min未出現爬電和放電等異常現象，工頻交流耐壓試驗通過。B相定子繞組在電壓升高到5kV時發生放電，加壓設備跳閘。C相定子繞組在電壓升高到2.3kV時發生放電，加壓設備跳閘。對B、C兩相定子繞組進行絕緣電阻測量，絕緣電阻值均為0MΩ。B、C兩相定子繞組絕緣已擊穿。

表6 交流耐壓試驗結果

2 故障位置定位

試驗人員在定子膛內檢查了線棒槽部，未能發現放電痕跡。為了找出絕緣擊穿的定子線棒，拆開了上下層線棒汽、勵兩端的焊接頭和引線焊接頭，分隔出上下層線棒。對分隔出的線棒進行絕緣電阻測試，發現B相上層14號線棒的絕緣電阻為0MΩ，對B相剩余的線棒進行試驗電壓為1.5倍額定電壓的交流耐壓試驗，試驗通過。試驗結果表明B相定子繞組上層14號線棒絕緣擊穿。用同樣的方法確定C相上層29號和35號線棒絕緣擊穿。

現場拆解出B相14號線棒、C相29號和35號線棒，均在線棒直線段層間墊條側的窄面中間位置發現放電燒焦痕跡，對應位置的層間半導體墊條燒毀破損，如圖2和圖3所示。旁邊的鐵芯也有被電弧灼傷的痕跡。C相29號和35號線棒在絕緣擊穿位置的兩邊覆蓋了一些由電腐蝕造成的白帶，如圖4所示。而線棒槽楔側窄面和兩側寬面沒有發現其他放電痕跡。

圖2 線棒放電痕跡

圖3 層間墊條破損

圖4 線棒表面電腐蝕造成的白帶

3 故障原因分析

300MW及以上大容量發電機的定子鐵芯長度在8m以上，沿鐵芯槽內要放置多條層間半導體墊條才能鋪滿鐵芯槽。小容量發電機的鐵芯長度較短，槽內只需放置一條或兩條墊條就能鋪滿鐵芯槽。而該型號發電機的層間墊條是兩段搭接式墊條，即由兩條長度相等的短墊條在槽部中間位置搭接而成，墊條結構如圖5所示。每條短墊條的搭接長度為50mm，厚度為4mm，搭接形成厚度為8mm的墊條接頭。三根線棒絕緣擊穿的位置正好在與墊條接頭接觸的位置。測量這3條層間墊條搭接接頭的厚度均小于8mm，厚度檢測結果見表7。

表7 墊條搭接接頭厚度

圖5 層間墊條搭接接頭

為了查找出線棒絕緣擊穿的原因，對3號發電機進一步進行相關試驗與檢查。首先用錘擊測試法檢查墊條接頭正上方位置的定子槽楔松緊度，發現共有8塊中間槽楔的敲擊聲音空洞，表明槽楔已經松動。接著拆除了全部上層線棒，測量了槽楔松動線槽的層間墊條接頭的厚度，發現共有5槽墊條接頭厚度偏薄，最小值為7.0mm，檢測結果見表8。發電機制造廠對層間墊條接頭厚度要求控制在7.5～8.3mm之間，可見有5槽墊條接頭厚度不符合工藝要求，其中有4根上層線棒層間側窄面中間位置的防暈層有磨損痕跡。墊條搭接接頭朝上層線棒的一面也有撞擊磨損，而墊條接頭厚度滿足設計要求的槽內線棒防暈層完好。絕緣擊穿的3根線棒的層間墊條接頭也是偏薄，墊條接頭厚度缺陷正是線棒絕緣擊穿的最初原因。

表8 松動線槽的檢查情況

由于燃氣輪發電機啟停頻繁，定子線棒長期處于迅速膨脹和緩慢收縮的交替狀態。而槽楔熱脹冷縮的特性與定子線棒不完全一樣，槽楔對線棒逐漸產生位移。隨著運行工況不斷變化，槽楔發生松動。在發電機運行時，定子上層線棒受到的電動力比下層線棒大的多，而上層線棒槽部主要由槽楔緊固，相對于下層線棒安放在槽底與鐵芯接觸牢固而言，上層線棒的固定比下層線棒要差些[9-10]。槽楔松動就會導致上層線棒相對于下層線棒產生較大幅值的徑向振動。

為了防止電暈放電，線棒層間墊條使用的是低電阻半導體材料。層間墊條夾在上下層線棒之間，相當于線棒防暈層的一部分。但是墊條接頭厚度偏薄時，上層線棒層間側窄面與墊條接頭就會產生空氣間隙，相當于線棒防暈層出現分層。上層線棒徑向振動就會造成間隙頻繁開斷。

發電機運行時主磁通會在上層線棒防暈層和層間半導體墊條感應出一定的電壓。當間隙之間的電壓差達到氣隙擊穿電壓時就會產生火花放電[11-12]。這種高能量的電容性放電對線棒表面產生電腐蝕。同時放電使空氣電離產生的臭氧和氮化物呈酸性，會在線棒表面產生白色的硝酸鹽，腐蝕線棒防暈層和主絕緣[13]。3號發電機采用空氣冷卻，該類型機組與氫氣冷卻的機組比較，密封性能較差[14-20]。定子內部的水蒸氣、氧氣較多。臭氧、氮化合物與水蒸氣的化學作用比較強，也會加大線棒電化學腐蝕。

另一方面，上層線棒的徑向運動使上層線棒層間側窄面防暈層直接與層間墊條撞擊摩擦。一開始線棒防暈層研磨受損，隨后主絕緣也受到磨損。與此同時，層間墊條也因為受到線棒的研磨和振動火花放電而損壞。線棒與層間墊條相互磨損，不僅會造成墊條接頭厚度減少，還會使線棒與層間墊條之間的氣隙變大，進而造成振動磨損和電腐蝕更加劇烈。如此反復惡性循環，上層線棒絕緣逐漸劣化，最終在耐壓試驗過程中擊穿放電。線棒絕緣擊穿機理如圖6所示。

圖6 線棒絕緣擊穿機理

4 故障處理

針對線棒絕緣擊穿的根本原因，將3號發電機定子繞組層間搭接式墊條全部更換為厚度為8mm的整段式長墊條，避免了層間墊條形成中間接頭。對放電鐵芯點用紗布打磨，然后涂刷絕緣漆。由于定子線棒的防暈層均有不同程度的磨損，為了徹底杜絕定子繞組絕緣擊穿的隱患，更換了全部定子線棒。定子線棒槽楔也全部更新，并按要求全部打緊。檢查槽楔松緊度合格后，對發電機進行定子鐵芯損耗及溫升試驗和定子繞組交直流耐壓試驗，試驗結果全部合格，3號發電機修復完畢。

5 結論

3號發電機定子線棒絕緣擊穿的原因是線棒層間墊條接頭厚度偏薄導致線棒與層間墊條發生振動火花放電和磨損，最終損壞了線棒防暈層和絕緣層。

線棒層間搭接式墊條的接頭厚度要嚴格控制在技術要求的范圍內，否則容易造成槽楔松動和振動火花放電等問題。建議使用安全性和可靠性更高的層間半導體墊條，如整段式的長墊條或者沒有接頭的短墊條，保證線棒表面與層間墊條良好接觸。

發電機在設計和制造工藝上的微小缺陷在交接試驗和運行初期難以被發現，這些缺陷成為發電機安全運行的最薄弱環節。經過長期運行，缺陷受到電、熱、機械和化學等因素的長期作用，將在預防性試驗中逐漸暴露出來。發電機生產時一定要嚴格把控線棒絕緣系統的制造工藝。線棒下線固定時要控制好安裝質量，下線前要檢查確認線棒表面防暈層清潔完好。線棒下線過程中，要加強槽內層間墊條、側面墊條和槽楔松緊度的檢查。發電機大修時，應檢查槽楔的松緊度，對松動的槽楔必須重新打緊，必要時進行定子槽部線圈防暈層對地電位檢查。確保發電機運行中線棒絕緣不會與槽壁和層間墊條等填充絕緣發生磨損和電腐蝕，保證發電機安全穩定運行。