发电机定子相间短路事故分析及处理

丁 豪，刘惠娟

(1.杭州华电半山发电有限公司，浙江 杭州 310012；2.华电电力科学研究所有限公司，湖北 武汉 430063)

0 引言

某电厂的9号发电机为哈电机公司引进GE公司技术生产制造的全氢冷390H发电机，额定功率397.8 MW，额定功率因数0.85，额定电压19 kV，额定电流14 221 kA，额定转速3 000 r/min。其定子绕组接线方式为YYY；励磁方式静止励磁，冷却方式为定子铁心氢内冷，定子绕组氢外冷。

1 故障经过

1.1 机组运行状况

该发电机2013年12月正式移交试生产，2017年4月进行了机组投产后检查性大修。2019年2月，机组安排了季节性检查，对发电机进行了电气预防性试验。

1.2 事故经过

2019-06-10T07：59，9号发电机突然跳闸，灭磁开关跳闸，系统解列联跳，MARK IV控制系统报警发电机差动跳闸、发电机定子接地跳闸；至机组电子室，发电机保护屏上显示发电机比率差动保护动作、差动速断保护动作。

现场通过窥视窗目视检查9号发电机出线罩、出线压变、中性点变压器室、发电机开关等发电机本体相关设备，均未发现明显短路迹象，因此需要进一步检查分析。

2 检查及修前试验

2.1 保护屏和故障录波器检查

发电机保护为南瑞继保PCS-985B，查看故障录波器记录的故障曲线。

2.2 测温元件

事故过程中，故障发生时发电机DT-GS-8测温元件发生坏点，对应为26号槽线圈温度。

2.3 故障量分析

故障时，机端A相电流为38.03 kA，机端B相电流为49.93 kA，中性点A相电流为84.6 kA，中性点B相电流为73.67 kA；保护装置录波显示情况：机端零序电压15.13 kV，中性点零序电压为4.06 kV，故障A相、B相差动电流为8倍额定电流(122.3 kA)，故障跳闸时间为68 ms左右。

PCS-985B两套保护装置报告：8 ms比率差动保护动作、8 ms跳闸出口动作、11 ms差动速断保护动作、20 ms发电机工频变化量差动动作，77 ms励磁系统故障联跳跳闸、1 006 ms定子零序电压保护动作，9 036 ms控制系统解列联跳跳闸。通过故障录波初步判断为发电机系统出现AB两相短路。

2.4 试验检查

检修人员拆除发电机出线罩和中性点的连接排，对发电机本体进行分相绝缘和直流电阻试验，数据见表1，2，3。

表1 发电机直流电阻

表2 发电机本体侧绝缘电阻及吸收比

直阻和绝缘试验数据符合A，B相间短路的故障特征，对地绝缘为高阻接地(大于100 Ω)，符合相间短路发展至两相接地的故障特征。

表3 发电机出线侧绝缘电阻及吸收比

2.5 解体检查

6月21日，发电机转子抽出后发现发电机励端有明显的故障点，具体在励端9点钟处线棒出槽口转角位置，故障中心最严重区域为24～26号槽线棒出槽口转角位置，其中24号槽上层线棒、25号槽上下层线棒和26号槽下层线棒严重烧毁，并波及到相邻线棒。目视检查12根下层线棒和21根上层线棒受不同程度受损。定子绕组端部表面以及边端铁心表面均有铜渣。6月30日，在拆除24号槽上层线棒后，在25号槽渐开线表面发现一个烧熔变形的φ10金属垫片。

故障区域定子绕组引线正常，定子边端铁心紧度良好，端部波纹板无窜出现象。后续拆解线棒时进一步检查，层间垫条、槽底垫条无窜出。发电机励端其他区域正常，但表面受碳粉、铜渣等杂物污染。发电机汽端正常，无磨损和松动现象，但端部波纹板局部有微小移位。

3 原因分析

此次故障区域在励端24～26号槽上下层线棒出槽口区域，这块区域下层线棒排列较密，有大量固定绑扎物，空间结构复杂为极不均匀电场，两点电位差高且路径最短，一旦发生短路，则会造成严重事故。该位置烧毁最为严重，与现场检查情况基本相符。励端24号上层线棒为A相分支出线侧第2根线棒，励端25号、26号上层线棒各为B相分支出线侧第1根线棒、26号下层线棒为B相分支出线侧第3根线棒。此4根线棒均为高电位。相间短路时故障相线棒之间的电压基本上为线电压19 kV。

此次故障的主要原因是在励端24～26号线棒出槽口处存在一个φ10铁制垫片(具体尺寸为内径10.5 mm，外径20 mm，厚1 mm）。发电机运行中此垫片受发电机励端漏磁和风速影响在励端24～26号线棒出槽口这个窄小空间区域内发热、振动，破坏了24～26号槽上下层线棒的绝缘，最终造成发电机相间短路。

4 暴露的问题

近年来，新投产的发电机因制造、安装问题引起发电机异物遗留导致发电机定子接地、相间故障屡有发现。此次故障也暴露出目前缺少技术手段检测发电机膛内微小金属遗留物。一旦在发电机定子生产、运输、安装阶段在某些隐蔽区域遗留微小金属件，很可能会导致业主单位无法通过现有电气试验和目视检查手段及时发现。

在2017年9号发电机进行了检查性大修，在定子膛内发现一个M10的螺母，在发电机膛内运行了近4年，导致转子表面与定子铁心不同程度磨损。定子铁心表面磨损较严重数量约为18处，各个位置有不同程度发热现象。

在此次故障前，发电机仅进行过一次解体大修。此次发现的垫片与2017年发现的M10螺母为配套金具，推断为发电机制造或基建安装时的遗留物。

在2017年大修时，因发电机发现螺母和膛内铁心受损进行了发电机高磁通铁心磁化试验，发现了两点温升故障点并进行了处理。由于励端线棒出槽口渐开线区域在铁心试验中的高磁通衰减严重，磁场较弱铁磁异物不会产生明显发热。24～26号槽区域空间结构复杂，目视遮挡严重，在发电机交流耐压试验前，利用紫外成像仪进行了发电机定子起晕试验，在该区域未发现光子数有明显增加。同时，一个厚度仅1 mm的平垫片很难通过目视检查发现。因此在大修电气试验和清理检修时均未发现该垫片。目前也没有相应电气试验可以在该位置发现类似尺寸的微小金属异物。

5 处理及防范措施

5.1 处理方案

(1) 目前发电机定子励端故障经目视检查发现，故障已造成12根下层线棒和21根上层线棒受不同程度受损。此次故障是哈电机国产化线棒后第一台发生相间故障的390H发电机，为了保证修复质量和日后的安全运行。经专家评审后确定将发电机上、下层共计144根线棒整体抬出。对受损的线棒进行全部更换，对其他线棒进行返厂重做绝缘。待新线棒和修复后线棒返回到现场后，进行发电机下线、打定子槽楔等发电机线棒回装工作，恢复上下层线棒连接线重装绝缘盒。发电机线棒安装过程中的耐压试验按制造厂检修过程的耐压值标准进行。整体装配后按JB/T 6204—2002《高压交流电机定子线圈及绕组绝缘耐电压试验规范》的标准进行交流耐压试验。

(2) 对转子端部进行清理和窜位处理。在现场拔护环对转子端部进行清理，并对转子匝间绝缘和金属弹簧板窜位进行处理。

(3) 对发电机励端整体固定环等进行紧固。

(4) 对密封瓦及其相关紧固件进行更换处理。

5.2 防范措施

(1) 检修过程中除仔细清理定子膛内外，打开底部人孔门进行定子铁心背部检查等全面排查，同时增加定子膛内窥镜检查及磁性材料吸附检查。

(2) 在检修过程中加强发电机进出膛检修工作制度落实，对工具进行编号登记、对进出膛工作人员进出前进行物品、工具检查核查等工作，保证检修过程中不遗留异物在发电机内部。