水轮发电机定子转子绝缘故障原因分析及预防

2012-08-15宁国兴

中国水利 2012年12期

关键词：硅钢片线棒水轮

宁国兴

（黄河万家寨水利枢纽有限公司电站管理局，036412，偏关）

水轮发电机定子转子绝缘故障原因分析及预防

宁国兴

（黄河万家寨水利枢纽有限公司电站管理局，036412，偏关）

水轮发电机；定子；转子；绝缘；故障分析

发电机是电力系统中的重要电力设备，它的安全运行影响着整个电力系统的可靠供电，而发电机定子、转子的绝缘性能是发电机能够安全运行的保证，因此，对发电机定子、转子绝缘状况的安全性评价，对发电机定子、转子绝缘发生故障的原因进行分析，并采取有针对性的预防措施，意义重大。

水轮发电机在运行中，由于电压、热、化学、机械振动以及其他因素的影响，绝缘材料会发生一些变化，其绝缘性能会出现劣化，甚至失去绝缘性能，造成事故。本文结合水轮发电机运行和检修实践，对水轮发电机（以立轴为例）定子、转子绝缘故障的原因作定性的分析。

一、故障原因分析

1.水轮发电机定子绝缘故障的主要原因

（1）潜伏性缺陷

水轮发电机在设计、制造、运输和安装的过程中存在一些局部质量问题，如出现某一点损坏，而在出厂试验和交接验收中并没有出现异常情况，待水轮发电机运行一段时间后，缺陷部位易发生绝缘击穿事故。具体表现有多种形式：

某电站1号水轮发电机已运行10年，未更换过定子线棒。在带16万kW负荷运行中，发生定子一点接地现象，出现保护动作，机组跳出口开关甩负荷。停机进行检测后发现，1号机446号上层线棒中部表面靠近槽壁处出现严重电腐蚀现象，防晕层出现一定的变色、变酥和蚀伤，定子主绝缘表面出现一个黄豆粒大小的麻坑。这是由于定子主绝缘材料中有局部气隙，定子线棒表面与槽壁边缘接触不良，防晕层的半导体材料间也有局部气隙，而对地电位分布在主绝缘和气隙两种不同的介质上，使定子线棒的局部表面电位增大，局部电场增强，产生局部游离放电甚至火花放电，这种放电对定子线棒的防晕层及主绝缘的表面产生电、热、机械、化学的综合作用，导致电腐蚀现象甚至击穿放电；另外，防晕层和铁芯间也存在一定的气隙游离放电，逐渐破坏防晕层，造成电晕放电，最终造成定子线圈表面绝缘损伤。

某电站4号水轮发电机（额定电压15.75kV）已运行11年，未更换过定子线棒。大修前在做交流耐压试验过程中，A相电压加至21 kV时电压突然降至0V。检测发现93槽对应定子线棒被槽底部溢出的硅钢片割破。进一步检测发现，定子铁芯硅钢片沿径向都有不同程度的溢出现象，最长位移达6.7mm。经有关专家研究，决定采取应急处理：定子线棒全部拔出，更换受损线棒；对硅钢片移出部分进行切除、磨平，使槽位平整；用不锈钢制作了专用的止动装置——拉钩，焊接在盒型压齿上，以弥补硅钢片鸽尾筋、定位筋所起的作用。硅钢片移出的原因主要是铁芯片叠压不够紧，不符合规定要求。硅钢片在运行中可能会受到热应力、摩擦力、定位筋与鸽尾筋的拉力、电磁力等作用，正常情况下，硅钢片的位移、变化都在设计允许的范围内。铁芯片叠压不紧导致鸽尾筋受力不均匀，铁芯片的径向力使硅钢片发生变形、位移，剪断鸽尾筋与机座的固定点，从而失去限制，逐渐割破定子线棒主绝缘。

还有一些情况是制造工艺上存在缺陷，定子绕组某些局部部位存在绝缘薄弱、不紧固或气隙不合理等现象，在高温、高压和综合力的持续作用下，这些部位容易老化、开裂、松动等，逐渐出现绝缘问题甚至引起定子绝缘烧毁的恶性事故。表现为定子局部温度过高、短路接地、匝间短路、着火等。

（2）铁芯硅钢片局部短路

水轮发电机定子铁芯硅钢片由于局部的碰伤、电腐蚀、松动、高温等情况的持续作用，会逐渐破坏片间绝缘，导致局部短路现象发生。铁芯硅钢片局部短路时，铁损会显著增强，局部过热明显，加速硅钢片和定子主绝缘的老化，如果没有及时发现和处理，会导致铁芯严重烧损和定子绝缘击穿事故。

（3）定子主绝缘受伤

水轮发电机定子绕组在机组检修时，由于起吊、搬运和施工作业中受到碰撞、刮擦，会使定子绕组发生局部变形或绝缘表面受伤，虽然定子主绝缘试验合格，但问题却潜伏其中。某电站5号水轮发电机带15万kW负荷运行中，突然发生定子一点接地事故时，出现保护动作，跳出口开关甩负荷。检测发现234槽上层线棒下部有一细划痕，划痕沿防晕层边斜上划过线棒表面，长4 cm。运行中，由于存在着气隙，该处绝缘在局部强电场的作用下，逐渐被电腐蚀击穿。

（4）电力系统发生短路故障

在电力系统发生短路故障且故障点距离发电机很近时，如发电机相间短路、匝间短路、短路接地、不对称运行、非全相运行等情况下，有可能造成定子主绝缘的局部受伤甚至烧毁定子；定子线棒在受潮时也会导致整体绝缘下降；定子、转子气隙之间如果有金属硬物或工具遗落，机组运行中可能会造成定子、转子绝缘破损的恶性事故。

2.水轮发电机转子绝缘故障的主要原因

①在发电机转子集电环处。主要是发电机运行中碳刷和机组大轴持续摩擦，碳粉在集电环与集电环支架间的隔离绝缘子上堆积，形成接地通道，经大轴接地的碳刷接地。

②在励磁系统交流电源侧。由交流电经整流电路转换成直流电的励磁系统中，励磁变低压侧电缆发生破损接地时，会引起发电机励磁升压后转子回路有接地故障信号，而发电机在空转状态或停机状态时转子回路绝缘正常。

③在励磁系统直流回路中。出现该问题的表现有多种形式：有的是励磁整流柜中设备、元件绝缘破坏引起的接地故障；有的是集电环到转子线圈的励磁输送电缆（穿过转子大轴中心）绝缘有破损，线芯接触大轴发生接地故障；有的是转子磁极线圈处绝缘破损引起接地故障。转子磁极在旋转过程中受离心力、电磁力和机械力的共同作用，引起磁极的振动，有时会造成磁极松动及绝缘损坏，发生接地故障或匝间短路。需要注意的是，这种接地故障有可能在转子静止状态下消失。

④当电力系统或发电机发生不对称短路故障，尤其是发生非全相运行时，定子中产生的负序电流会在定子、转子气隙中建立以同步转速旋转的磁场，方向与转子转向相反的负序旋转磁场。它对转子以2倍同步转速切割转子，在转子铁芯表面（集肤效应）及转子表面各部件和接触面上感应2倍工频电流，这些环流使转子铁芯及表面附件会产生局部过热，如果继电保护没有及时动作或处理不及时，会造成转子烧毁的恶性事故。此外，负序电流也会在定子、转子之间产生交变的电磁转矩，使转子受到交变力矩的作用而产生振动，发热和振动的综合作用，可能会损坏转子。

⑤转子回路在受潮时会导致整体绝缘下降；转子碳刷在有卡阻时，碳刷与集电环之间会有打火现象，也会影响转子回路绝缘，甚至会划坏集电环，影响到转子的正常工作，造成停机检修的恶性事故；定子不对称故障时对转子回路形成的过电压等，都有可能造成转子绝缘的损坏；转子绕组发生匝间短路，损坏转子绝缘等等。