水轮发电机定子绕组单相接地故障位置查找及原因分析

杨桂周，李声宝

（东芝水电设备（杭州）有限公司，浙江 杭州310020）

0 前言

水轮发电机定子绕组单相接地是水轮发电机常见的一种故障。发电机在运行过程中，可能引起定子绕组绝缘击穿对地短路故障的原因很多，例如，制造时定子线棒绝缘存在局部缺陷；安装过程中损伤了定子绕组主绝缘；安装或检修过程中有导磁性金属异物遗留在定子绕组端部；运行中定子绕组上方零件脱落掉在定子绕组端部；定子绕组绝缘老化、受潮造成定子绕组绝缘在运行电压或过电压下被击穿等。本文结合某电站定子绕组单相接地点的查找过程，介绍了几种查找故障位置的方法，为类似事故的处理提供参考。

1 事故发电机基本参数

发电机基本参数见表1。

表1 发电机基本参数

定子绕组接线方式略图如图1所示。

图1 定子绕组接线略图

定子绕组为双层条式波绕组、2支路星形连接、F级绝缘，定子线棒采用真空液压多胶绝缘工艺，又称VPR工艺。

2 事故概况

该机组带25%左右负载运行时，定子接地故障信号报警导致甩负荷停机。停机后将该机组进行了隔离，检查核对保护A柜故障信号(Alam-sen-MAM20 Hz-Sta)，20 Hz注入式定子接地故障信号一直未能复归，断开中性点接地开关、将PT柜摇出，用2 500 V兆欧表在中性点侧测量定子绕组绝缘电阻为零，调整兆欧表档位至500 V测量绝缘电阻仍为零。随即，对定子汇流母线、定子绕组端部、端箍等位置进行了目测检查，未发现有明显的放电接地点。

之后，拆除了机端出口母线与封闭母线的软连接，以及中性点母线与中性点装置的连接螺栓，用2 500 V兆欧表分段对定子绕组、封闭母线、中性点装置进行了绝缘电阻测量，测量结果如表2所示。

由表2可知，定子绕组V相对地绝缘电阻为0，即可判定定子绕组V相发生接地故障。

表2 各部分绝缘电阻测量

3 接地故障位置查找方案

通常，单相接地故障位置查找有直流电压分担法、直流加压法、钳形电流表法、交流加压法、电流烧穿法等[1-3]，以下详细介绍3种利用电站常用设备进行故障位置查找的方法。

3.1 直流电压分担法

一般用于接地电阻值较小的金属性接地，主要设备有直流恒流源、电压表或直流电阻测试仪，测试原理图如图2所示。

图2 直流测试原理图

测试时，将机端连接点、中性点连接点断开，并施加一定的直流源，分别测量机端、中性点对地电压U1、U2，将电压比转化成匝数比，如下式：

其中：N1、N2分别为从机端、中性点开始至接地位置的线棒串联根数。

根据匝数比，在引线较长的场合，需去除由于引线和汇流母线的长度不同而产生的影响，再结合定子绕组接线图便可大致确定接地点的位置。

3.2 直流加压法

通常用于接地电阻值相对较高的非金属性接地，主要设备为5 000 V绝缘电阻表，接线原理图与直流耐电压试验一致。

测试时，用绝缘电阻表给无故障相进行充电，并在定子绕组端部各处安排人员监视，待充满电之后，对故障相进行放电，此时故障点会发出声音且伴有火花产生，通过声音和火花即可判断放电位置，但此方法需要工作人员较多，对环境要求也比较高，需要现场安静且关闭照明电源，在晚上进行效果更佳。

3.3 钳形电流表法

适合用于定子绕组支路多、分解困难的情况下，主要设备有兆欧表、交流调压器、钳形电流表（根据定子线棒截面大小可能需改装）。测试原理图如图3所示。

图3 钳形电流表测试原理图

测试时，将钳形电流表置于其中一个支路的线棒上，然后对故障相施加交流电压，通过调压器逐渐升高输出电压，当钳形电流表读数达到几十mA即可，保持电压不变，再测量其他支路的电流，电流大的支路即可以判断为故障支路。

同样的方法对故障支路的单根线棒进行电流测量，此时电流表只需要显示读数即可，检测到电流为零的那根线棒即为故障线棒。

4 事故发电机故障位置查找方案选择及应用

该电站定子绕组为2支路，且分解方便；V相对地绝缘电阻为零，属于金属性接地；推荐采用直流电压分担法或钳形电流表法。

考虑现场条件后，采用了直流电压分担法，根据图2测试原理图分别为V相的两个支路通10 A直流电流，测量各部分电压，结果如表3所示。

由表3可知，第二支路出现了分压现象，即可判断此支路为故障支路。

表3 直流电压分担法测量数据1

其中，N为每相每支路串联线棒根数：90。

去除汇流母线长度影响后，初步判断接地位置应在从机端开始数第42根线棒附近，考虑测量误差分别取其前后两根线棒范围作为重点检查对象，接地可能的线棒所在槽位置如表4所示。

表4 从机端开始至接地线棒可能的位置

将此5根线棒对应位置的挡风板拆除后，发现第43根线棒（176槽）上层线棒在距离铁心端部80 mm左右处有一个被碳化的凹坑，此处为接地点的可能性很大。为确定此处是否为接地点，将碳化层进行清理后（处理后已有金属铜露出），用500 V兆欧表再次对故障支路进行绝缘电阻测量，仍然为零，由于击穿点距离铁心端部仍有一段距离，应该存在一定的绝缘电阻值，怀疑此处可能不是唯一的接地点。

因此，再次利用直流电压分担法通10 A直流电流从漏铜点分别对机端和中性点进行电压测量，结果如表5所示。

表5 直流电压分担法测量数据2

由表5可知，由于没有出现分压现象，基本可以确定接地位置为176槽上层线棒凹坑处。将碳化层清理后，由于绝缘电阻仍为零，凹坑边缘可能还有垂直于主绝缘层向的击穿点，为了确定修复方案，需进一步确认是否还有其他击穿点，将凹坑处一定范围内低阻防晕层剥离后，测量其对地绝缘电阻达到1.26 GΩ，剥离范围如图4虚线范围。综上，可以确定接地点仅此一处且其边缘不存在层向击穿。

图4 低阻防晕层剥离范围

5 事故发电机线棒接地位置处理

由于清除碳化层还有较高的对地绝缘电阻，同时接地点距离铁心还有一段距离，此时处理方案有2种。

（1）作为临时性处理方案，可将击穿点附近的绝缘修理后涂刷环氧胶，用云母腻子将凹坑填平，再包绕适当层数的云母带进行绝缘补强，最后涂刷防晕漆进行防晕处理。但临时处理方案存在短时间内再次击穿的风险。

(2）作为永久性处理方案，即更换线棒。

最终经过综合考虑，决定对接地线棒进行更换处理。

6 事故发电机接地原因分析

定子绕组单相接地作为定子绕组短路故障中常见故障之一，其引起的原因有很多，就该电站而言，根据受损部位形态，该部位是线棒止沉块位置，可以存留遗落的异物，线棒表面呈现较大直径的烧损凹坑，符合绝缘长时间受到磁性金属物质反复“感应高温—电磁振动摩擦—绝缘逐步受损”的特征。

如果有磁性金属异物附着在定子线棒上，机组运行过程中，附着物会发生电磁振动并伴随电磁感应而发热，进而导致绝缘逐渐损坏。线棒端部磁场强度很高，当表面有磁性金属异物附着时，根据异物大小和通过线棒电流不同，磁性异物受感应加热后，温度可达300℃以上，在高温和振动摩擦同时作用下，线棒绝缘会因逐渐受损而最终导致击穿。

7 结语

（1）本文介绍了一些利用电站常用设备查找定子绕组单相接地故障位置的方法，具有较高的可操作性。

（2）当发电机发生单相接地故障时，应首先分段确认哪一部分发生接地（汇流母线、中性点设备、定子绕组），如判定为定子绕组接地，则需先找出故障支路，利用兆欧表，通过测量接地绝缘电阻确认是金属性接地还是非金属性接地，再根据接地性质选择合适的查找方法。根据定子绕组的接线方式以及接地性质的不同，可能需要将上述几种方式互相结合，灵活运用，才可快速的找出故障位置。

（3）发生定子绕组接地故障，会给电站造成较大的经济损失，为尽可能减少及避免类似事故引起的损失，必须做好预防措施。例如，定子绕组下线时应严格按照作业指导书作业；下线后应对定子绕组端部进行点检，确保没有磁性异物落入其端部；按照DL/T596-1996电力设备预防性试验规程的规定进行定期检查维护，同时还应确认定子绕组端部上方螺栓等连接件没有松动，以免脱落等。

希望本文介绍的几种查找方法可以为处理类似故障提供一定的帮助，尽可能为电站减少经济损失。