高压电机引线故障分析与预防

王际华 王付钢 吕季平

（华润电力（海丰）有限公司，广东 汕尾516468）

0 引言

火电机组的“六大风机”包括两台引风机、两台送风机和两台一次风机。当其中任何一台风机的高压电机发生故障时，整台机组出力受阻至少50%，甚至会发生跳机事件，严重影响了机组的经济性和稳定运行，由此导致的突然甩负荷也会对电网造成一定威胁。

1 000MW机组通常采用10kV高压厂用电系统，基于启动电流过大对厂用电系统电压及其他厂用负荷影响的考虑，200kW以上的电动机一般采用高压电机。高压电机在高电压、大电流下高速旋转，无论在机械方面还是电磁方面，都易产生一系列的问题。诸如绕组匝间短路、绕组接地（相间）短路、引线故障、支柱绝缘子闪络等电气故障均为设备日常运行维护中发现的主要问题。本文以一起大型火电厂一次风机电机故障为例，分析问题产生的原因，并提出几点预防此类高压电机故障的方法。

1 故障现象及故障原因分析

1.1 保护动作分析

某3 150kW一次风机电机在负荷电流为131.8A运行时发生故障，DCS显示定子各绕组温度正常，10kV综保接线及动作信息分别如图1、表1所示。

图1 一次风机电机保护装置接线图

表1 10kV一次风机电机故障发生时保护动作信息

当短路发生时，纵差和过流Ⅰ段保护同时动作，切除故障。由于两个保护所接CT不同，短路时CT的饱和特性略有差异，因此，二次电流值相差0.32A，短路电流约为7.5kA。

纵差保护动作意味着故障发生在电机高压侧进线CT与中性点侧CT之间，从10kV配电室至电机就地的供电电缆不在故障区间。作为高压电机的主保护，当保护区间内（发电机引线、定子绕组等）发生相间短路时，纵差保护动作切除故障；若发生单相接地，零序电流保护灵敏度更高，动作于断路器跳闸。由此可见，电机引线或定子绕组发生相间短路的可能性较大。

1.2 高压试验分析

经过现场观察，电机高压侧接线箱被短路能量冲开并严重变形。内部检查时发现，电机U相引线断裂，V、W两相铜排表面烧伤并变形，支柱绝缘子局部受损。为判断电机内部定子绕组绝缘是否受到损伤，待电机热量消散后，逐相绕组进行直阻测量、绝缘电阻测量及耐压试验，分析如下：

（1）从表2数据可知，三相绕组直阻几乎完全平衡，且经过温度换算后与出厂数据、交接试验数据基本相同，排除了三相绕组发生匝间短路的可能性。

表2 故障后三相绕组相间直流电阻实测值

（2）绝缘电阻测量可判断电机绝缘中是否存在诸如材料受潮等整体性缺陷。将非测试两相短接并接地，利用兆欧表对测试相进行测量，发现绝缘电阻均超过10GΩ且数值平衡，初步排除了电机本体发生相间短路或相对地短路的可能性。

（3）电机出厂试验电压值为（2Un＋1）kV，以10kV电机为例，应进行21kV交流耐压试验，现场交接试验按照出厂值的80%进行，即16.8kV。与局放、绝缘电阻、介损等预防性试验不同，交流耐压试验为破坏性试验，能发现绝缘材料中一些较大的集中性缺陷，但当试验次数过多时，绝缘材料由于“累积效应”的原因会产生一定程度的损伤，从而加速绝缘老化。因此，基于已经进行的耐压试验次数、试验电压值、现场试验环境等多方面考虑，决定采用谐振耐压设备以16kV进行试验，试验持续1min，均未出现绝缘击穿现象。

综上所述，一次风机电机的本体绝缘没有损伤。因此，高压侧接线箱内成为重点怀疑的故障区域。

1.3 故障点定位及故障原因分析

接线箱中用于支撑母排的支柱绝缘子采用硅橡胶材料，且由于沿海地区污秽严重，需要按照Ⅳ级污区中规定的爬电比距进行绝缘子爬电距离的选择。基于定型产品的考虑，可采用经过海拔修正的高原型10kV绝缘子代替。硅橡胶材料具有优良的憎水性和耐污闪性能，一旦发生绝缘对地闪络，绝缘子表面会由于漏电起痕而产生烧伤的沟道。从现场观察发现，绝缘子明显是由于外界应力导致的局部破裂，非电弧贯穿性损伤，且零序电流保护没有动作，因此可以判断，用于支撑母排的支柱绝缘子非故障的诱因。

至此，断裂的U相高压引线成为关注的重点，结合故障录波（图2）中10kV母线三相电压值及零序电压值，对故障持续过程及产生机理进行进一步的探寻。

图2 故障录波信息

如图3所示，从引线断裂的部位可以看到，断裂处绝缘由于短路电流的热效应而烧焦变形，V、W两相铜排局部变形且表面有烧伤痕迹，V相铜排侧倾于W相铜排方向。可以断定，U相引线的断裂处是整条引线的绝缘薄弱环节，当U相引线与V相铜排间施加10kV工作电压时，引线线芯表面会形成较强的电场，在交流电场作用下，电场强度按容性分布，由于空气的介电常数远小于绝缘材料的介电常数，一旦绝缘层中存在集中性缺陷，小气隙会由于场强的集中而不断劣化。除此之外，电机在高速运转时产生大量的热，高压侧接线箱处于相对密闭的环境，热量的累积会导致箱体内气体温度升高。随着温度的升高，高场强下引线绝缘的热老化和引线与相邻相铜排之间气体绝缘热游离逐渐加剧，在电机运行时振动力的助增下绝缘亦产生机械疲劳，当U相引线绝缘薄弱部位劣化至无法承受运行电压的作用时，与V相铜排发生两相相间短路，产生零序电压。电弧产生的高温使V、W相之间空气温度迅速增加，加之短路电动力使得V相支柱绝缘子受损，V相铜排侧倾于W相，降低了相间距离，增大了相间场强，导致V、W两相间空气的热游离，在故障持续第4.6ms时，形成了U、V、W三相短路，零序电压消失。在短路电流热积累的作用下，故障发生49.4ms时，U相引线导体熔断并远离V相铜排，位置逐渐趋近于W相铜排。V相铜排与U、W相之间熄弧，断裂的U相引线与W相铜排之间电弧持续燃烧，直至故障发生第55.2ms时继电保护动作，切除U、W两相短路。

图3 高压侧接线箱故障后状况

2 高压电机绝缘隐患预防措施

由于高压电机内部环境复杂，在电场、磁场、机械力的联合作用下高速旋转，故电机绝缘故障率高于变压器等静止设备，特别是在当今高压变频器大量应用的环境下，电机的绝缘问题成为了制约其稳定运行的关键因素。在日常的运行维护中，可适当采取以下措施，将故障限制在初始阶段，防止短路跳闸事故的发生。

（1）加强电缆引线绝缘。由于高压绝缘引线工作于机械振动状态，较宜采用具有较高柔韧性的硅橡胶电缆，且电缆截面可较计算截面大一级选取以降低导体表面的场强。南方沿海区域，夏季室外气温高达近40℃，且接线箱处于相对密闭的环境中，高温是导致绝缘材料热老化的主要原因。因此，可使用H级绝缘的引线电缆，加装相同绝缘等级的引线护套，以补强引线处绝缘。为了避免铜排之间的相间短路，可在相间加装具有一定厚度的环氧树脂隔板并固定于接线箱箱体。接线箱采用下进线方式，避免雨水的侵入影响绝缘性能。

（2）加强支柱绝缘子绝缘。支柱绝缘子通常采用陶瓷、环氧树脂、硅橡胶以及新型DMC等材料。无机陶瓷和环氧树脂具有较高的抗拉、抗压性能，但无法承受较大的振动和剪切力。硅橡胶绝缘子不仅具有优良的沿面性能，而且不会因为正常运行时的机械振动发生断裂。由于沿海区域高盐密、高污秽，可在硅橡胶表面涂刷PRTV以增强抗湿闪和污闪能力。

（3）局部放电监测。绝缘材料的老化过程通常都伴随着局部放电量的增加。在定期巡检过程中，利用局放定位设备对高压电机的高压侧接线箱等部位进行局部放电量监测，当某台电机放电量出现明显增高时，需加强监视，在必要的情况下对此设备进行停机检修。

3 结语

高压电机绝缘故障严重影响了电机及发电机组的稳定运行，在日常维护中，应加大巡视力度，采用测量局放量、热成像仪监测等方法寻找放电点。在机组停机检修时，通过采用增加相间绝缘隔板、加装高绝缘等级引线护套、更换优质绝缘子或涂刷PRTV等方法加强电机高压引线部分的绝缘，避免此类问题重现。

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