貴州灣塘電站發(fā)電機(jī)定子線圈擊穿事故原因及防范措施探討

楊小玲，羅遠(yuǎn)福

(1.貴州省習(xí)水鼎泰能源開發(fā)有限責(zé)任公司，貴州習(xí)水564600;2.重慶電力高等?？茖W(xué)校，重慶400053)

貴州灣塘電站有3臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，1F、2F為擴(kuò)大單元接線，3F為發(fā)變電組單元接線。3臺(tái)機(jī)組型號(hào)均為SFW-3200-6/1730，基本參數(shù)如下所述。

容量:4 000 kVA;功率:3 200 kW;電壓:6 300 V;電流:366.6 A;轉(zhuǎn)速:1 000轉(zhuǎn)/分;飛逸轉(zhuǎn)速:1 873轉(zhuǎn)/分;絕緣等級(jí):B/F;功率因素:0.8;頻率:50 Hz。

1 故障現(xiàn)象及處理過程

2F在運(yùn)行中差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作停機(jī)，經(jīng)檢查，2F定子線圈出線A、B、C三相1#、2#線圈端部擊穿并熔斷。

發(fā)電機(jī)定子線圈擊穿的原因是多方面的，絕緣老化、繞組受潮、繞組本身缺陷或檢修工藝不當(dāng)、繞組過熱、發(fā)電機(jī)內(nèi)部進(jìn)入金屬異物、外部及內(nèi)部過電壓擊穿等，都可能造成定子線圈的絕緣擊穿。由于事故發(fā)生時(shí)，無論是電站還是系統(tǒng)，均無倒閘操作，也無大氣過電壓產(chǎn)生，初步排除了外部過電壓導(dǎo)致線圈擊穿的可能;機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行，且經(jīng)初步檢查，冷卻系統(tǒng)及相關(guān)管路無漏水，排除繞組受潮的可能。因此，初步判斷此次事故的發(fā)生是由發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障所引起的。其原因可能為絕緣老化、檢修工藝不當(dāng)、繞組過熱、發(fā)電機(jī)內(nèi)部進(jìn)入金屬異物或內(nèi)部過電壓擊穿等。

故障發(fā)生后，通過外觀檢查已初步確定故障點(diǎn)為2F定子線圈出線A、B、C三相1#、2#線圈端部。但為了找到其他可能存在的故障點(diǎn)，將故障機(jī)組A、B、C三相定子繞組熔斷的端部簡(jiǎn)單連接，測(cè)得第一次各相線圈對(duì)地絕緣電阻(各次測(cè)得數(shù)據(jù)詳見表1)，三相電阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足規(guī)程(1 MΩ/kV)要求，吸收比也大于規(guī)程要求的1.3。因此，可判斷無其他故障點(diǎn)，可將該唯一故障點(diǎn)做進(jìn)一步處理。將定子A、B、C三相線圈熔斷的端部進(jìn)行焊接，測(cè)得第二次各相對(duì)地絕緣電阻，各項(xiàng)指標(biāo)仍保持正常。因此，繼續(xù)進(jìn)行下一步處理。將A、B、C三相線圈熔斷的端部用銀焊焊接，焊口用云母帶雙層半疊繞包扎，共12層，外包玻璃絲帶一層，最后涂刷無溶劑膠浸透玻璃絲帶。其后測(cè)得第三次各相線圈對(duì)地絕緣電阻，數(shù)據(jù)顯示絕緣及吸收比相對(duì)較低(見表1)。經(jīng)分析是由水電站廠房潮濕，2F停機(jī)處理故障時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，線圈一定程度上受潮引起。因此，決定對(duì)2F開空車烘燥。經(jīng)過空載烘燥，第四次測(cè)得2F絕緣電阻(見表1)，此時(shí)2F定子線圈的絕緣電阻與吸收比滿足機(jī)組絕緣要求，故障處理告一段落。

表1 各次絕緣電阻及吸收比(環(huán)境溫度23℃)

故障處理后，進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，耐壓試驗(yàn)有交流和直流兩種。直流耐壓試驗(yàn)，能夠有效地檢出定子繞組端部絕緣的缺陷，但對(duì)槽部繞組的試驗(yàn)效果卻不如工頻耐壓試驗(yàn)的效果。因?yàn)橹绷麟妷杭釉诶@組上沒有電容效應(yīng)，電場(chǎng)在絕緣層的各處分布均勻，如果加上50 Hz交流電壓，由于電容效應(yīng)，電場(chǎng)分布不均，接近鐵心槽部的絕緣所承受的電場(chǎng)較強(qiáng)。故兩種試驗(yàn)相輔相成，不能互相代替，而本次故障點(diǎn)在端部，故采用直流耐壓進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。當(dāng)B相直流試驗(yàn)電壓在9 kV左右時(shí)，有絕緣擊穿的放電聲，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)在B相出線2#、3#線圈端部的下端有一直徑約10 mm絕緣擊穿點(diǎn)。對(duì)此擊穿點(diǎn)進(jìn)行包扎絕緣處理后，第五次測(cè)量2F定子線圈絕緣電阻(見表1)。其絕緣數(shù)據(jù)表明，定子線圈絕緣電阻和吸收比基本合格，但由于直流耐壓試驗(yàn)過程中出現(xiàn)了絕緣擊穿，故決定對(duì)出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象的B相進(jìn)行修復(fù)后，再次作直流耐壓試驗(yàn)。當(dāng)電壓升至5 kV左右時(shí)，B相再次發(fā)出放電聲，測(cè)其絕緣電阻為零。經(jīng)多次排查，最后確定故障線圈在B相出線1#、2#線圈的內(nèi)部。由于未拆機(jī)，無法找到故障點(diǎn)，最后決定將2F轉(zhuǎn)子吊出做進(jìn)一步檢查。

拆機(jī)后，確認(rèn)發(fā)電機(jī)內(nèi)無異物，無明顯放電痕跡，但發(fā)電機(jī)出線端部的蓋板有銅液粉末。吊出轉(zhuǎn)子后發(fā)現(xiàn)定子線圈B相出線第一個(gè)線圈槽口處上層邊與鐵芯齊平有一30 mm的裂紋。對(duì)這一缺陷進(jìn)行絕緣包扎處理，確定各項(xiàng)指標(biāo)合格后對(duì)定子線圈進(jìn)行了短路烘燥，并在烘燥后對(duì)2F定子線圈絕緣電阻進(jìn)行了第六次測(cè)量。2F定子線圈的絕緣電阻值與吸收比符合絕緣要求，之后再次對(duì)B相進(jìn)行直流耐壓試驗(yàn)，當(dāng)電壓升至10 kV左右時(shí)，B相再次放電。檢查發(fā)現(xiàn)，仍是B相相同位置有一25 mm左右的裂紋。由于無法在短時(shí)間內(nèi)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)線圈進(jìn)行處理，綜合考慮檢修時(shí)間、成本等因素，電站最終決定更換此線圈(見圖1)。對(duì)新線圈測(cè)量絕緣電阻為5 200 MΩ，交流耐壓17.325 kV，1分鐘未出現(xiàn)異常。新線圈下線后，絕緣電阻測(cè)量為5 120 MΩ，交流耐壓15.75 kV，1分鐘無異常。并頭連接后，交流耐壓試驗(yàn)結(jié)果表明，新線圈絕緣合格(試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2)。對(duì)絕緣包扎浸漆后，將2F回裝完畢，開空車對(duì)水輪發(fā)電機(jī)各部軸承溫度進(jìn)行考驗(yàn)，同時(shí)對(duì)2F進(jìn)行其他相應(yīng)試驗(yàn)及檢查，無異常，2F并網(wǎng)發(fā)電。

2 定子線圈擊穿原因總結(jié)

通過現(xiàn)場(chǎng)觀察分析，筆者認(rèn)為引起此次事故的原因主要有以下幾點(diǎn)。

表2 交流耐壓試驗(yàn)絕緣電阻及吸收比數(shù)據(jù)(線圈平均溫度40℃，環(huán)境溫度23℃)

圖1 更換后的定子線圈及拆機(jī)后原絕緣擊穿點(diǎn)位置

2.1 內(nèi)部放電

由于制造工藝與下線工藝存在缺陷，電機(jī)在運(yùn)行中受電、熱、化學(xué)和機(jī)械力的作用，定子繞組不可避免地會(huì)在層間出現(xiàn)氣隙，氣隙中的場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)平均場(chǎng)強(qiáng)的3.5倍左右，加之線圈本身質(zhì)量的原因，增多、增大了氣隙。在運(yùn)行電壓的作用下，氣隙中的場(chǎng)強(qiáng)很容易擊穿，出現(xiàn)絕緣內(nèi)部局部放電。局部放電產(chǎn)生的局部過熱，造成高溫聚合物裂解而使絕緣損壞，在電、熱、化學(xué)和機(jī)械力的聯(lián)合作用下，又進(jìn)一步使氣隙擴(kuò)大，造成絕緣有效厚度減小，使擊穿電壓進(jìn)一步降低，最終導(dǎo)致絕緣擊穿。

2.2 端部放電

發(fā)電機(jī)定子繞組端部并頭套的連接處，是絕緣的薄弱環(huán)節(jié)，運(yùn)行中電機(jī)端部電場(chǎng)局部集中，發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況惡劣，長(zhǎng)期過熱、過壓，會(huì)加速電機(jī)絕緣老化，查閱電站機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，該機(jī)組經(jīng)常在7 kV電壓下運(yùn)行，同時(shí)由于端部防暈層處理不好，導(dǎo)致起暈電壓降低，在運(yùn)行電壓下，就可能導(dǎo)致端部電暈放電，對(duì)電機(jī)絕緣產(chǎn)生很大破壞作用。

2.3 槽放電

線圈的環(huán)氧云母的熱固性絕緣在電機(jī)運(yùn)行溫度下，受熱膨脹比其他部件小，使槽部表面不能和鐵芯槽壁完全接觸，加之該機(jī)組線圈存在間隙超標(biāo)，拆出的13個(gè)線圈有10個(gè)線圈的間隙大于0.5 mm，而工藝要求小于0.3 mm。在運(yùn)行中定子線圈因振動(dòng)或摩擦使槽部防暈層脫落，當(dāng)間隙中的電場(chǎng)超過間隙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，致使線圈主絕緣表面、線棒表面與槽壁之間產(chǎn)生放電。

2.4 電弧放電

電機(jī)定子繞組在運(yùn)行中受到電、熱、機(jī)械力的作用，可引起定子線棒股線的疲勞斷裂，斷裂股線兩端由于整個(gè)線圈的振動(dòng)時(shí)斷時(shí)續(xù)，形成火花放電，并隨工頻電流過零而不斷熄滅、重燃，形成電弧放電。這種電弧放電產(chǎn)生的局部高溫，使股間絕緣燒損，嚴(yán)重時(shí)可使導(dǎo)線熔化，絕緣層完全燒毀，并發(fā)生相間短路和多點(diǎn)接點(diǎn)故障。而這種由斷股引起的短路或接地故障，由于有足夠的熱量，使導(dǎo)線熔化，對(duì)地絕緣完全燒毀。因此，故障發(fā)生后往往找不到斷股的證據(jù)。斷股電弧故障在發(fā)展過程中，只有熔化的銅液粉末噴出，該機(jī)組拆機(jī)時(shí)的確發(fā)現(xiàn)有銅液末存在。

綜上所述，此次發(fā)電機(jī)定子絕緣擊穿，是由運(yùn)行、制造、安裝多方面原因共同造成。

3 預(yù)防及改進(jìn)措施

針對(duì)定子繞組的這些情況，可采取如下措施對(duì)事故進(jìn)行預(yù)防和改善。

(1)針對(duì)端部可能出現(xiàn)的局部電暈，可根據(jù)線棒所處位置是高阻區(qū)還是低阻區(qū)，在防暈層外涂敷相應(yīng)的半導(dǎo)體防暈漆，再在外層表面涂敷防護(hù)灰磁漆。這種處理的方式比較簡(jiǎn)單，處理關(guān)鍵是防暈漆選擇適當(dāng)，漆的黏度控制準(zhǔn)確。但要注意這種處理方式對(duì)線棒高低阻交界處的電暈沒有防護(hù)效果。

(2)針對(duì)槽放電，可采取的措施有定子槽內(nèi)在下線前噴低阻半導(dǎo)體漆;選擇合適的低阻半導(dǎo)體墊條;改進(jìn)線棒槽內(nèi)固定方式;改進(jìn)制造工藝水平，如線棒的尺寸和平直度、鐵芯的制造和疊片公差等。

(3)加強(qiáng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行維護(hù)管理，降低發(fā)電機(jī)的振動(dòng)，避免因振動(dòng)摩擦使線圈防暈層遭到破壞。同時(shí)，加強(qiáng)機(jī)端電壓調(diào)整，使電機(jī)在額定電壓下工作，避免由于電壓升高等運(yùn)行管理原因?qū)е码姍C(jī)故障。

(4)對(duì)空冷式發(fā)電機(jī)的冷卻氣體的濕度進(jìn)行控制，避免由于擊穿電壓降低而導(dǎo)致相間放電。

(5)加強(qiáng)定子線圈制造過程的監(jiān)督和管理。如購買技術(shù)實(shí)力較強(qiáng)的企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品、派遣或委托專業(yè)技術(shù)人員對(duì)定子線圈的制造過程進(jìn)行監(jiān)督和管理。避免由于線圈的制造工藝、下線工藝的不良影響電機(jī)的正常運(yùn)行。

4 結(jié)束語

雖然通過更換定子線圈，使事故發(fā)電機(jī)重新投入了運(yùn)行，但為避免事故的再次發(fā)生，應(yīng)對(duì)產(chǎn)生事故的原因進(jìn)行分析和總結(jié)。按“四不放過”的原則，從根源上找到并解決發(fā)生事故的原因，才能使設(shè)備真正安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、可靠地運(yùn)行。

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