某电厂燃机发电机定子绝缘故障分析及处理

江苏华电吴江热电有限公司 徐惠蕊 高 驰

某公司1号联合循环机组于2013年3月投入商业运行，燃机发电机采用某制造厂生产的QFR-135-2J 13.8kV静止励磁燃气轮发电机，发电机额定容量158.8MVA，采用空气冷却方式，发电机定子共66槽，每槽安装2根导线，采用F级绝缘，发电机出厂时间为2011年11月。#1发电机自投产运行至今未出现出口短路和接地故障，运行情况稳定。但发电机运行温度偏高，长期运行温度超过115℃，线圈最高温度达125℃。

2022年12月18日，某公司1号发电机开始行大修；12月25日，开始发电机抽转子、发电机本体内部检查及试验合格。2023年1月13日，发现发电机膛内结露，有凝结水现象，测试线圈绝缘低，干布擦拭并在膛口加装通风扇进行空气流通，投入发电机空间加热器。

2023年1月28日，1号发电机三相线圈绝缘低，加装外部热风加热装置对定子铁芯、线圈进行加热吹扫处理。截至2月8日，外部加热仍无效果，采取加热试验的方法，额定转速下线圈通电流加热除潮气。2月9～15日，先后11次加热试验，绝缘有明显好转，但尚未达到直流泄漏和直流耐压试验要求，不满足启动要求。2月17日，抽转子后2500V三相定子绝缘电阻均大于1GΩ；B相交直流耐压试验通过；A相、C相交流耐压、直流耐压均无法升压，C相试验中有明显放电现象。2月19日，综合分析1号燃机发电机定子线棒多处存在明显绝缘异常，确定整体线棒更换，计划工期2月23日至3月25日。

1 检查情况

1.1 提高发电机定子绝缘试验及措施检查情况

2023年2月9～13日，进行了10次加热试验（三相短接、电流控制在80%以下）加热，加热时间在2～2.5h，每次加热后进行了绝缘电阻测量，其中在第3次、第10次加热后进行了试探性直流耐压试验。第10次直流耐压试验时，C相在25.5kV时有放电声。2023年2月14日，复测2500V绝缘电阻测量均在300MΩ以上，直流耐压B相27kV，C相20.3kV放电（两点钟方向，上次23kV），A相6.4kV（2000uA，最大）无法继续升压。2023年2月15日，第11次加热，加热时间9h，额定电流控制在80%以下。加热试验后，2500V绝缘电阻测量均在1GΩ以上。

1.2 转子出膛检查情况

试验及定位情况：2023年2月17日，1号发电机转子出膛后进行了定子绝缘电阻测量、直流耐压试验以及电晕试验。根据试验数据分析，A相、B相绝缘电阻在2500V、5000V电压下均大于1GΩ；C相绝缘电阻在2500V电压下大于1GΩ，但是在5000V电压下20MΩ。A相、C相交流耐压和直流耐压试验无法正常升压，判断发电机A相、C相线圈有明显贯穿性缺陷；B相交、直流耐压试验通过，但是直流泄漏电流异常，交流耐压监测电晕发现多处光子数超过1000，表明B相也存在绝缘缺陷。

定子膛内情况检查：膛内检查励侧2点钟位置，发现明显碳化痕迹，与2月14日C相直流耐压时击穿放电相对应，基本确认为C相放电点，该处放电点处于线棒绑扎带和垫块处，初步分析为该处线棒处于绑绳和垫块处运行中振动磨损造受损绝缘薄弱加之受潮结垢形成击穿放电点。同时，发电机膛内检查发现励端和汽端共23根线棒表面绝缘出现破损，部分绝缘破损处出现碳化情况。#15下层线棒出现放电点，为C相，#16、#18为上层线棒，位于B相，#34、#35、#36、#37、#38为上层线棒，位于C相，#39、#40为上层线棒，位于C相，#58、#59、#60为上层线棒，位于A相，#61、#62为上层线棒，位于A相。各线棒绝缘开裂处均为出槽口8cm左右位置（高阻带与低阻带搭接部位），绝缘破损位置存在水渍。

1.3 情况分析

发电机A相、C相直流耐压试验，泄漏电流均达到2000μA以上，且充电现象不明显，可以判断发电机线圈有明显贯穿性缺陷。B相直流耐压试验，各阶段电压下，泄漏电流不成比例升高，表明绝缘存在贯穿性缺陷。发电机A相、C相交流耐压无法升压，说明线棒绝缘已经击穿。

发电机膛内检查发现励端和汽端共23根线棒表面绝缘出现破损，部分绝缘破损处出现碳化情况。#15下层线棒出现放电点，为C相，#16、#18为上层线棒，位于B相，#34、#35、#36、#37、#38为上层线棒，位于C相，#39、#40为上层线棒，位于C相，#58、#59、#60为上层线棒，位于A相，#61、#62为上层线棒，位于A相。各线棒绝缘开裂处均为出槽口位置，均位于发电机线棒直线绝缘与手包绝缘分界处。分析为发电机长期运行温度高，且燃机启停次数较多，发电机线棒直线绝缘与手包绝缘分界处受热膨胀不均匀，造成绝缘层断裂，绝缘老化情况严重。且各线棒绝缘断裂位置一致，证明此绝缘缺陷为共性问题。

2 原因排查试验开展情况

2月22日，国网江苏省电力有限公司电力科学研究院完成1号发电机定子端部模态试验，试验合格，发电机定子线圈不在共振区域。2月23日开展电容冲击法排查定子放电部位。A相电容冲击试验电压14kV，C相电容冲击试验电压10kV。由于A相、C相绝缘电阻为0，导致高压电压无法在故障点建立，在冲击电容放电时直接导通。判断A相、C相存在贯穿性击穿，无法定位线棒的具体位置。

2.1 拆除线棒检查

初步检查线棒存在明显绝缘缺陷共23根，分布面积较广主要集中在A、C相，非局部绝缘缺陷，局部处理无法满足发电机长期稳定运行，现由原制造厂家对整台发电机定子线棒进行更换。截至3月9日，132根定子线棒全部取出。因发电机定子层间垫条上、下面均为含胶半导体适型毡，含胶半导体适型毡在高温固化后与线棒粘连在一起，且定子下线安装时，线棒侧面与槽之间用半导体玻璃布板填充间隙，两方面因素导致抬取线棒不顺利。定子线棒在取出和清理层间垫条的过程中都对线棒绝缘和防晕层造成损伤，定子线棒拆除后已破坏，部分故障点损坏，查找全部放电部位难度增大。通过现场排查及拆除定子线棒分析，发现多根线棒故障点位置为线棒出槽口8cm左右位置部位，存在开裂，电晕腐蚀、放电碳化痕迹。部分线棒在相同部位存在不同程度开裂、碳化痕迹。不同线棒的相同部位，由轻到重存在碳化痕迹、电晕腐蚀、电晕放电痕迹。

2.2 定子线棒切割检查

某电机厂对存在放电痕迹线棒电晕放电处部位切割检查，发现线棒绝缘厚度不均匀，绝缘层有分层，胶化线圈铜线倾斜，胶化线圈圆角较尖，故圆角处的绝缘较薄。

2.3 发电机定子线棒运行温度偏高对绝缘影响分析

1号发电机定子运行温度对比同类型机组相对偏高，但未超过报警值和绝缘材料设计值，发电机定子线棒长期运行温度高会加速绝缘材料恶化。本次大修中绝缘低线圈通电流加热驱潮处理，线棒最高温度为105℃，未超过设计报警温度。现场检查分析故障线棒未发现过热迹象，因此温度偏高不是本次线棒绝缘异常的直接原因。

导致定子线棒运行温度偏高原因，一是某制造厂发电机定子线棒截面载流量偏小，定子大电流时易发热；二是发电机冷却系统设计容量偏小，冷却器设计功率为1800kW，目前某汽轮电机厂生产此同等型号发电机冷却器设计功率增至2000kW；三是线棒侧面与槽之间用半导体玻璃布板填充间隙并刷胶固定，阻碍部分冷风通流，影响定子线棒散热。

2.4 发电机定子线棒磨损对定子线棒绝缘影响分析

定子绕组槽内敷设工艺为层间垫条上、下面均为含胶半导体适型毡，含胶半导体适型毡在高温固化后与线棒粘连在一起，线棒侧面与槽之间用半导体玻璃布板填充间隙并刷胶固定。在定子线棒拆解过程中可以知，线棒在线槽内比较牢固，现场未发现线棒绑绳有松动迹象，未发现黄粉等线棒磨损痕迹；发电机定子绕组端部动态特性和振动测量试验合格，定子绕组不发生共振磨损破坏定子线棒外绝缘的问题，绝大部分线棒绝缘开裂处为出槽口8cm左右位置，距绑绳和垫块一段距离，基本可以排除线棒磨损导致本次大部分绝缘异常。

2.5 发电机定子线棒受潮原因分析

1月4～13日该地区有连续多天阴雨天气，空气湿度较高，低温产生结露现象。检修人员未考虑结露对定子线棒的影响，以及定子线棒出槽口8cm左右位置（高阻带与低阻带搭接部位）存在开裂或局部间隙隐患，水分夹杂灰尘等污垢侵入该部位绝缘层，导致线棒绝缘能力降低，定子线棒受潮引发本次大部分绝缘异常。

2.6 发电机定子线棒工艺质量缺陷

制造厂工艺质量存在缺陷，多根（抢修前检查中发现23根）定子线棒出槽口8cm左右位置部位存在开裂破损、电晕腐蚀、电晕放电痕迹，因该部位绝缘材料不同、搭接面较小、存在间隙和绑扎紧度等影响，运行后由于多种原因形成开裂，防电晕措施部分失效。多根线棒绝缘层开裂处有明显“水渍”，为水气、粉尘、磁性物质等从开裂处渗入，形成放电的通路。在高磁场下产生电位差，发生局部放电或电晕放电，导致该部位绝缘能力降低。

综上分析，某公司1号发电机定子线棒端部出槽口8cm左右位置（高阻带与低阻带搭接部位）开裂，绝缘防高场强质量工艺不佳，在发电机端部高磁场强度下，定子线棒绝缘层开裂部位存在电晕腐蚀、放电碳化故障致使绝缘劣化。空冷发电机运行中灰尘等污垢不断侵入附着在端部绕组开裂处形成重大隐患，大修期间线棒表面结露、潮气作用，使水分夹杂灰尘等污垢侵入该部位绝缘层使得隐患显露，端部表面绝缘强度降低，感应电场变得极不均匀，形成感应电晕放电的通路，导致大量线棒绝缘不合格，耐压试验无法通过，机组无法如期恢复运行。

3 暴露问题及下一步工作

3.1 暴露问题

设备检修管理存在缺失，未考虑潮湿天气对发电机定子绝缘影响，定子线棒存在绝缘隐患，受潮引发本次故障。依据《隐极同步发电机技术要求》（GB/T7064-2017）5.3.4规定：允许配备加热装置，以保证停机时机内相对湿度低于50%，发电机膛内虽有加热器，但转子抽出后膛内空间变大，加热器不能满足停机时机内相对湿度低于50%的要求。

设备隐患排查不深入，同类型产品存在定子绝缘薄弱隐患未能关注到。针对厂家生产的同类型机组，发电机的转子和定子存在品质不高问题，该公司未能及时收集在无锡、广东某电厂暴露定子线棒绝缘隐患问题；同时检修中未及时发现多根定子线棒出槽口8cm左右开裂，致使潮气通过开裂处浸入线棒绝缘，使得A、C相定子线棒绝缘低，导致本次大修中缺陷突然暴露时处于被动局面。

3.2 故障线棒处理及线棒拆装

鉴于缺陷线棒数量较多，会同各方专家分析诊断缺陷形成原因及制定处理方案，后续针对线棒故障点绝缘层材质工艺继续分析。

定子铁芯保护：监督拆除线棒期间铁芯保护；定子铁芯清理：定子槽清理彻底，风道清理检查有无异物（铁磁性物质），检查铁芯齿片受损的位置并进行专项处理，铁芯修复处涂胶固定（防止运行后齿片震动）；定子铁芯验收：对清理干净的铁芯开展铁损试验，如铁损试验有发热点及时处理并再次试验直到通过为止；回装实施方案：让厂家提供线棒进厂验收、存放、试验、回装等工艺、质量和标准要求，组织发电机专家审核，合理设置质检点，方可进行线棒安装工作；修后试验验收：确定修后发电机按新发电机的标准开展交接试验项目，保障合格的发电机投运；线棒冷却措施：复核发电机冷却器容量，运行期间控制发电机定子线棒运行温度。

3.3 预防措施制定

1号发电机定子抢修期间，某公司制定1号发电机转子防潮措施，单机运行安全运行措施，并严格落实执行；开展同类型隐患排查，某公司制定3号发电机隐患排查方案，适时开展；加强检修过程管控，重点关注定转子受潮、铁磁异物遗漏、线棒电腐蚀排查等，加强关键节点验收把关；发电机运行指标控制，调整发电机冷却进出风参数，使发电机定转子运行温度符合设计要求。