发电机转子绕组绝缘故障分析

彭东飞

（嘉禾县泮头水库管理所 郴州市 424508）

发电机在运行过程中，由于外界的影响和本身的原因，机组的某些参数会发生变化，超出正常运行所允许的范围，称为发电机组异常。发电机的异常运行时间长了就会危及机组的安全。因此，必须对异常现象进行正确分析，及时处理，避免事故的发生。

发电机转子绕组在运行中受到电、热和机械等应力的综合作用，因而其绝缘性能会出现劣化，甚至失去绝缘性能，导致转子绕组绝缘故障。

1 发电机转子绕组绝缘故障的表现形式及危害

发电机转子绕组的绝缘故障表现为转子绕组一点接地、两点接地和层间、匝间短路等形式。

（1）转子绕组一点接地。当发电机转子绕组一点接地时，对发电机不会造成危害，除保护发出信号外，通常无其他异常现象。但转子一点接地很容易发展成两点接地而危及机组的安全。因此，规程规定，隐极式发电机转子绕组发生一点接地时，应查明故障地点与其性质，尽可能及时安排停机处理；凸极式发电机（特别是多极式发电机）因其气隙分布不均匀，转子绕组发生一点接地时，应迅速转移负荷，停机处理。一般不允许继续运行。

（2）转子绕组两点接地。当发电机转子绕组两地点接地时，由于故障点流过相当大的故障电流而烧伤转子本体；由于部分绕组被短接，励磁绕组中电流增加，可能因发热而烧坏、气隙磁通失去平衡，从而引起振动。特别是多极发电机会引起更加严重的振动，甚至会造成灾难性的后果。所以当发生转子绕组两点接地时，必须立即停机处理。

（3）纯粹的层间、匝间短路。纯粹的层间、匝间短路的现象是电流增大，伴随有异常振动的发生。此时，必须减少负荷，使振动或转子电流减少到允许的数值。必要时亦应解列停机检查。

2 发电机转子绕组绝缘故障的原因

（1）发电机转子在运输或保存的过程中，由于转子内部受潮，铁芯生锈进入绕组，造成转子绕组主绝缘或匝间绝缘损坏。

（2）在加工过程中铁屑或其他金属物落入转子，也可能引起转子主绝缘或匝间绝缘损坏。

（3）转子绕组下线时绝缘的损坏或槽内绕组发生位移，也将引发接地或匝间短路。

（4）在机组启动或停机时，由于转子绕组的活动，部分匝间绝缘垫片发生位移，也可能导致绝缘损坏。

（5）运行中转子滑环上的电流引线导电螺丝未拧紧，造成螺钉绝缘损坏。

（6）电刷粉末沉积在滑环下面的绝缘突出部位，使励磁回路绝缘电阻严重下降。

3 发电机转子绕组的接地故障

可分为稳定性接地故障和不稳定性接地故障。按其接地的电阻值，可分为低阻接地（金属性接地）和高阻接地（非金属性接地）。

3.1 稳定性接地故障

稳定接地时，转子绕组的接地与转速、温度等因素均无关，这种接地容易测试和清除。

3.2 不稳定性接地故障

不稳定性接地故障可分为几种情况：

（1）高转速时接地。当发电机的转子静止或低速旋转时，转子绕组的绝缘电阻值正常。但是随着转速升高，其绝缘电阻值降低，当达到一定转速时，绝缘电阻值下降至零（或接近于零）。这种情况大多数是由于在离心力的作用下，线圈被压向槽楔底面和护环内侧，致使有绝缘缺陷的线圈接地。一般这类接地点多数发生在槽楔底和两侧护环下的上层线匝上。

（2）低转速时接地。当发电机的转子静止或低速旋转时，转子绕组的绝缘电阻值为零（或接近与零），但随着转速的上升，其绝缘电阻值有所升高，达到一定的转速时，绝缘电阻上升至正常值。这种情况大多数是由于在离心力的作用下，线圈离开槽底向槽面压缩，致使接地点消失。一般这类接地点多数发生在槽部的下层或槽底的线匝上。

（3）高温时接地。当发电机转子绕组温度较低时，其绝缘电阻值正常。但随着温度的升高，其绝缘电阻值降低。当达到一定温度时，绝缘电阻值下降至零（或接近与零）。这种情况，大多数是由于转子绕组随着温度上升而增长（膨胀）。当增长到一定的数值时，便发生了接地。一般这类接地点多数发生在转子绕阻的两侧端部。

（4）与转速和温度有关的接地。当转子绕阻的接地与离心力和受热增长同时有关时，这种接地必须在一定的转速和温度的作用下才可能发生。

4 泮头水库三级电站2号发电机转子绕组绝缘故障分析

4.1 事故过程

泮头水库三级电站2号发电机型号为SFW500-8/1180卧式水轮发电机。额定容量500kW，极数8极，额定电压400V，额定励磁电流110A，额定转速1000r/min。故障前机组与电网并列满载运行。2010年7月17日18时，因10kV系统电网3min内两次遭雷击而产生振荡，即将负荷降至有功功率300kW运行，此时励磁电流仅60A，3min后10kV系统电网第三次遭受雷击而引起电网强烈冲击振荡，泮头水库三级电站2号发电机出口开关跳闸，机组事故关机，发电机处有轻微的异味。

4.2 机组的绝缘检查

事故关机后，根据规范要求，对发电机进行绝缘测试。定子绕阻绝缘完好，励磁回路对地绝缘排除励磁电缆、滑环等设备、部件接地的可能性后，用1kV数字型兆欧表测转子绕过阻正、负极对地绝缘电阻均为2.6Ω。而年度预防性试验测得转子绕阻对地绝缘电阻为0.4MΩ。根据事故现象及保护动作情况和检测结果判断：转子绕阻中点附近金属性一点稳定接地。

4.3 故障分析

（1）泮头水库三级电站属电网末端电站，水库容量小，在枯水期受水库来水的影响，经常开、停机，对转子绕阻冲击次数多，而转子绕阻压板螺栓的绝缘是圆柱形绝缘套管和绝缘垫片相配合，套管与垫片之间的缝隙因机组经常开、停机的冲击而加大，使压板螺栓绝缘受损。

（2）为保持转子绕阻极间连接板接触良好，其接触面采用灌锡处理。当输电线路连续遭受雷击，系统发生振荡冲击，引起发电机过励电流较大，温度升高，锡受热变软后振荡冲击挤压，沿压板螺栓绝缘套管上升，穿过绝缘套管和绝缘垫片之间的缝隙与压板螺栓接触，形成转子绕阻金属性一点稳定接地。

4.4 故障处理

（1）吊芯检查。发现转子绕阻中点磁极间连接板绝缘损坏，绕阻连接板与绕阻压板螺栓连通，形成转子绕阻一点金属性稳定接地故障（图1）。

图1 转子绕组接地示意图

（2）将转子绕阻极间连接板重新绝缘包扎，并用环氧树脂固化绝缘处理。

（3）将转子绕阻压板螺栓圆柱绝缘套管与绝缘垫片之间的缝隙用环氧树脂固化成T型绝缘套管，改善压板螺栓的绝缘状况（图2）。

图2 环氧树脂处理绝缘套管与垫片示意图

（4）经上述处理后，转子绕阻对地绝缘电阻恢复为0.4MΩ，合乎规范标准。经运行试验无故障。

5 预防故障对策

（1）定期对设备进行检查维护和预防性试验，保证机组设备完好。

（2）做好运行监视工作，及时发现故障先兆。及时处理，降低故障发生率。

（3）当机组出现故障时，必须按照有关规定对机组设备进行检查测试，防止事故的扩大，保证机组安全运行。

（4）水轮发电机的运行受水库水位及来水量的影响，特别在枯水期间，发电机开、停机频繁，转子绕阻的振动冲击较多，必须做好故障的预防工作。

6 结语

发电机的转子绕阻绝缘故障有不同的表现形式及特点。产生故障的原因很多，可能是设计制造方面的缺陷，也可能是安装、检修时留下的缺陷，也有可能是长期运行使绝缘老化或外界影响所致。长时间运行会严重危及机组安全，所以必须对转子绕阻绝缘进行正确的分析，并及时处理。