泰山抽水蓄能电站4号机组定子绕组短路故障分析及处理

杨艳平，张亚武，张全胜，郝国文，朱庆龙

（1.山东泰山抽水蓄能电站有限责任公司，山东省泰安市 271000；2.国网新源控股有限公司，北京市 100761；3.山西西龙池抽水蓄能电站有限责任公司，山西省忻州市 035503）

0 引言

发电机定子是抽水蓄能电站的主要设备之一，发生故障后处理难度较大，处理周期较长，将给电站造成较大的经济损失。本文对泰山抽水蓄能电站发生的一起发电电动机定子绕组短路故障进行了介绍，从发电电动机线棒端部绝缘结构设计、发电电动机风洞运行环境等方面进行了故障原因分析，通过对比封闭式绝缘盒、开放式绝缘盒及手包绝缘等绝缘结构的优缺点，最终选择手包绝缘作为最后的处理方式，详细介绍了手包绝缘处理过程，并将从故障中吸取的经验教训进行了总结，为抽水蓄能电站定子线棒端部绝缘结构的设计及运行维护提供参考。

1 概述

泰山抽水蓄能电站4号发电电动机制造商为福伊特-富士公司，采用立轴、半伞式、三相、50Hz、空冷、可逆式、凸极同步发电电动机，与水泵水轮通过主轴用连轴螺栓直接把合连接。发电电动机定子采用现场叠片、现场下线的整圆叠装结构，铁芯采用0.5mm厚的冷轧硅钢片分层叠压而成，定子线棒端部电接头采用三条紫铜块直角搭焊连接。定子绕组采用双层叠绕、并联星形四分支结构。定子共有312槽，624根线棒，线棒电磁线为聚酯亚胺漆包扁铜线，每根相棒分三股，采用罗贝尔换线，每股各由22根双排电磁线组成，排间、股间均具有独立绝缘，三股线编制组合并胶合一体后，涂刷半导体漆作为内均压层。线棒主绝缘采用环氧玻璃粉云母、少胶VPI（真空加压浸渍）工艺制作，绝缘等级为F级。发电电动机主要技术参数见表1。

表1 发电电动机主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of generator/motor

定子线棒端部同相之间的电接头不设绝缘盒，电接头导体无任何绝缘防护，异相之间装设开放式绝缘盒，绝缘盒进风侧开孔，绝缘盒内未填充环氧树脂或石英粉，采用空气绝缘，如图1所示。

图1 线棒端部绝缘结构Fig．1 Opening cap

2015年9月22日20∶39，泰山抽水蓄能电站用SFC拖动4号机抽水调相工况启动，当升至98%额定转速时，机组95%定子接地保护、100%定子接地保护相继启动（延时时间未到没有出口），机组纵差保护出口，4号机电气跳机。

故障发生后，运维人员对发电机受损情况进行了检查，发电机受损情况（见图2）如下：定子绕组312～36槽上层线棒下端部存在不同程度的烧伤、电接头熔化、绑绳烧毁、线棒表面碳化、支持环烧伤及表面碳化、电接头扭曲变形等异常现象；定子绕组14、15槽下层线棒下端部电接头完全烧断，定子绕组250、25、26、36槽下层线棒下端部端电接头部分绕组股线烧断；下端部绝缘盒共烧伤或烧毁48个，上端部绝缘盒烧毁2个；转子2～3号磁极之间阻尼环发生向内弯曲现象。此外，进行转子预防性试验发现5号磁极交流阻抗偏低，为1.012Ω，约为其他磁极交流阻抗值的1/3，推测5号磁极内部可能发生了匝间短路。

图2 发电机受损情况Fig．2 Generator damage diagram

2 发电机定子短路故障原因分析

2.1 保护动作情况分析

对故障发生时刻保护动作信息进行分析，发现100%定子接地保护、定子纵差保护、定子匝间短路保护先后启动，定子匝间短路保护及定子纵差保护相继出口，发令跳开SFC输入开关、发电机出口开关（故障时尚未合闸）、机组灭磁开关。保护动作时序如表2所示。

表2 保护动作时序表Tab.2 Sequence of protection action

对故障时发电机出口电压故障录波图进行分析，发现故障前发电机三相对地电压基本一致，幅值约为13kV，故障发生时（Tr），U相电压幅值降低至约5kV，V相和W相电压幅值升至约21kV，随后三相电压迅速降至0kV，如图3所示。

图3 故障时发电机出口电压录波图Fig．3 Fault oscillograph of generator outlet voltage

对故障时发电机中性点电流故障录波图进行分析，发现故障前发电机中性点三相电流为正常值，约0.5kA（SFC启动时机组定子电流为0.586kA），故障时中性点U相电流峰值达到100kA，V相及W相电流峰值约60kA，随后逐步减小至约12.65kA，经过约1.2s后逐步衰减至零，如图4所示。保护动作跳开灭磁开关后，中性点故障电流一直持续，主要原因是灭磁开关分闸后，灭磁电阻回路导通，故障电流由发电机内部提供。

图4 发电机中性点电流录波图Fig．4 Fault oscillograph of generator neutral current

本次故障过程中，由于发电机出口开关一直未合闸，因此发电机出口三相电流一直约为0.5kA（SFC启动时正常定子电流值）。

通过分析故障时刻保护动作信息、发电机故障录波图、监控系统事件记录，可以推测发电机内部故障发展过程为首先出现U相单相接地，接着迅速发展为匝间短路、两相接地短路，最后发展成三相短路。

2.2 故障初始原因分析

从故障现场检查情况来看，位于14、15槽的两根下层线棒受损最为严重，端部绝缘盒完全烧毁，线棒导体全部烧断，因此推测此处为故障始发点，如图5所示。

通过查找发电机定子绕线图，发现14槽下层线棒为发电电动机U相临近出线侧倒数第二根线棒，此根线棒端部对地电压约为8.92kV，15槽下层线棒为发电机电动机W相出线侧最后一根线棒，此根线棒端部对地电压约为9.09kV，此两根线棒之间电压差约为12.67kV，两根线棒对地电压及线棒间电压均较高，因此若此处线棒绝缘距离不够，极易发生接地故障或相间短路故障。

图5 定子14、15槽线棒端部受损情况Fig．5 Damage diagram at end of stator bar in slot No．14 and slot No．15

故障发生后，电站运维人员会同福伊特-富士公司专业人员对如下部位绝缘距离进行了抽测：

（1）相邻线棒端部绝缘结束端之间的爬电距离约为270mm，大于福伊特-富士公司设计标准控制值205mm，测量示意图如图6所示。

图6 绝缘距离测量示意图（一）Fig．6 Schematic diagram of insulation distance measurement（1）

（2）线棒绝缘结束端对支持环固定角铁之间的爬电距离约为227mm，大于福伊特-富士公司设计标准控制值205mm，测量示意图如图7所示。

图7 绝缘距离测量示意图（二）Fig．7 Schematic diagram of insulation distance measurement（2）

（3）相邻线棒端部绝缘结束端之间的空气间隙约为72.2mm，小于福伊特-富士公司设计标准控制值100mm，测量示意图如图8所示。

图8 绝缘距离测量示意图（三）Fig．8 Schematic diagram of insulation distance measurement（3）

从上述抽测结果可以看出，线棒端部绝缘结束端对支持环固定角铁的爬电距离仅比设计标准控制值大22mm，由于绝缘盒安装不合格，相邻线棒绝缘结束端之间的空气间隙甚至比设计控制值小17.8mm，一旦发电机风洞内部运行环境稍不理想，如空气湿度过大、空冷器漏水、线棒端部积灰或沾染油污过多，都将会导致绝缘距离进一步减小，且由于发电机定子端部采用开放式绝缘盒设计，则定子发生接地或短路故障的风险将急剧增大。虽然到目前为止，故障发生的直接原因仍未找到，但从上述分析可以推测，本次4号发电电动机定子故障根本原因为发电机线棒端部绝缘设计不合理，防护较弱所致。开放式绝缘盒由于采用敞开式设计，对定子线棒、绝缘盒、支持环及其附件的安装精度要求很高，对发电机风洞内部运行环境要求也很高，其本身绝缘强度较环氧灌胶封闭式绝缘盒差，且由于线棒端部同相之间不设绝缘盒，导体直接裸露，因此这种设计抵御风洞不良运行环境的能力较弱。

3 故障处理

由于故障的根本原因为发电机定子端部绝缘设计不合理，因此对定子端部绝缘结构进行改造成为本次故障处理的重点。针对上述问题共有两种解决方案。

方案一：将定子绕组端部绝缘改为环氧灌胶封闭式绝缘盒。优点：绝缘强度高、安装简单、施工周期短、施工质量易保证；缺点：散热较差。

方案二：将定子绕组端部绝缘改为手包绝缘。优点：绝缘强度高、散热较封闭式绝缘盒好；缺点：安装复杂，对施工人员技术水平要求较高、施工周期较长。

以上两种方案均可以有效解决开放式绝缘盒绝缘强度低、抵御外部不良运行环境弱的缺点，但都面临着发电机端部温升可能过高的问题，因此必须对改造后发电机端部温升进行分析以决定最终选用何种解决方案。

福伊特-富士公司通过收集泰山抽水蓄能电站发电机风洞各种设备机构、尺寸、风道布置情况、材料散热系数等建立数学模型，通过CFD进行分析，发现在发电电动机空冷器进风温度为40℃的情况下，采用封闭式绝缘盒后定子绕组端部绝缘盒内最高温度将会达到144℃，超过设计允许的最高温度值120℃；采用手包绝缘后定子绕组端部最高温度将达到115℃，低于设计允许的最高温度值，定子线棒不会出现过热现象。

各种绝缘结构下定子绕组最高温度见图9。

图9 各种绝缘结构下定子绕组最高温度Fig．9 The max temperature at the end of the winding under various insulation structure

综合以上分析，最终决定采用手包绝缘方式对发电机线棒端部绝缘进行改造，将所有绝缘盒全部拆除，改为手包绝缘。手包绝缘工艺流程如下：将云母纸和聚酯带按670mm×295mm规格进行裁切，各裁切2016张。将裁切好的聚酯薄膜和云母纸按图10顺序进行叠放。

图10 手包绝缘材料叠放顺序Fig．10 Stacking sequence of insulating materials

最下一层放置云母纸，然后在其上表面均匀涂刷调配好的手包绝缘专用树脂ISL898.1，再在上面叠放聚酯薄膜带，重复上述步骤直到第八层云母纸叠放完毕后，用专用模具切割成型，将其安装于发电机定子绕组端部电接头处，用玻璃丝带采用半压法将手包绝缘材料固定，最后在玻璃丝带表面均匀涂刷调配好的手包绝缘表面胶EM849，待表面胶固化后在整个定子线棒端部及铁芯表面喷涂绝缘清漆（见图11）。

图11 手包绝缘效果图Fig．11 Hand wrapped insulation

4 改造后效果分析

改造完成后，为了测量定子线棒端部温升，根据福伊特-富士公司建议，在机坑内部通风最差的位置选择5个区块，其中下端部3个，上端部2个，每个区块选择3个相邻的电接头，在每个电接头表面粘贴3张量程为49～99℃的感温测纸，感温测纸粘贴位置示意图如图12所示。

图12 感温测纸布置示意图Fig．12 Schematic diagram of temperature measuring paper layout

在机组满负荷发电及抽水分别运行2小时后，读取感温测纸读数，发电运行2小时后最高温度为92℃，抽水运行2小时后最高温度为98℃，测量结果见表3。

表3 机组满负荷运行线棒端部最高温度Tab.3 Maximum temperature at the end of the stator bar

可以看出，手包绝缘改造后，机组在满负荷运行时定子线棒端部最高温度没有超过设计允许值，线棒端部绝缘强度也有显著提高，改造效果良好。

5 经验总结

发电机端部绝缘结构设计时既要考虑绝缘距离是否能满足相应电压等级绝缘要求，又要兼顾线棒散热问题，泰山抽水蓄能电站由于设计时对绝缘距离考虑不够充分，选用了开放式绝缘盒设计，当风洞内运行环境恶化时，有效绝缘距离变短，最终导致了此次事故的发生。本次故障后，泰山抽水蓄能电站除对线棒端部进行手包绝缘改造外，还对发电机风洞环境进行了如下治理：

（1）将发电机风洞内部二次电缆进行了整理和固定。将气隙监测、振摆监测、定子RTD、局放监测等自动化元件引出电缆外部的金属缠绕保护套用绝缘的PVC保护套进行代替，对走线进行了重新优化和固定，防止其脱落搭接在线棒之间造成线棒接地或短路。

（2）将风洞内部冷却水供水阀门及法兰全部拆除，用焊接的方式进行连接，最大限度减小漏点。在风洞内部最低点装设高精度漏水检测装置，一旦检测到有漏水立即报警，并将信号上传至监控系统。

（3）将内风洞墙面全部用硅藻泥涂抹，地面用瓷砖敷设，防止墙面及地面产生粉尘。

（4）对下导/推力油盆密封进行了整治，防止甩油对定子线棒造成污染。

（5）对风洞内所有螺栓进行了排查和清点，对螺栓预紧力进行了复核并涂抹螺纹锁固剂，防止螺栓松动脱落造成事故。

6 结束语

发电电动机定子线棒端部场强分布极不均匀，电磁环境复杂，是事故多发部位，为了保证发电电动机的安全稳定运行，在设计阶段应选择合理的端部绝缘结构，既要兼顾线棒的散热，又要确保足够的绝缘强度，在安装阶段要严格按照设计图纸施工，确保各部位的绝缘距离满足厂家设计要求，在运行维护阶段要加强风洞环境治理，减少漏水、漏油现象，保证线棒端部清洁、干燥，优化风洞内二次电缆布线路径，避免电缆固定不牢脱落搭接造成短路或接地事故。

[1] 斯通（Stone，G．C．），等 ．旋转电机的绝缘 - 设计 评估 老化试验 修理[M]．白亚民，等译．北京:中国电力出版社，2011 Stone，G．C．，et al．Rotary motor insulation-design review repair test[M]．BAI Yamin，et al．Beijing: China Electric Power Press，2011．

[2] 姜宝君．水轮发电机绝缘事故分析及处理[J]．西北水电，2009（4）:57-58．JIANG Baojun．Analysis and solution of insulation failure for tubinegenerat or units[J]．Northwest Hydropower，2009（4）:57-58．

[3] 余维坤．从端部电晕谈发电机击穿事故[J]．大电机技术，2001，1（2）:28-32．YU Weikun．Discussion of generator breakdown accident in the view of end-winding corona[J]．Large Electric Machine and Hydraulic Turbine，2001，1（2）:28-32．

[4] 侯力．云母带等主绝缘材料在发电机和高压大电机中的应用[J]．防爆电机，2004（1）:43-48．HOU Li．Application of high-efficiency accelerant of moderatetemperator quickly-solidifying tung-ma epoxy adhesive[J]．Exp losion-Proof Electric Machine，2004（1）:43-48．

[5] 曾彩萍．单面聚酯薄膜补强少胶粉云母带在高压电机主绝缘中的应用研究 [J]．绝缘材料，2004，37（2）:13-16．ZENG Caiping．Research on the application of polyester filmbacked dry mica tapes to the thin main insulation of high-voltage motors[J]．Insulating Materials，2004，37（2）:13-16．

[6] 李伟力，侯云鹏，程树康，等．大型水轮发电机定子股线导热的数值分析 [J]．中国电机工程学报，2001，21（7）:115-119．LI Weili，HOU Yunpeng，CHENG Shukang，et al．Heating analsis of stator strands of large hydro-generator based on numerical method[J]．Proceedings of the CSEE，2001，21（7）:115-119．