水輪發(fā)電機定子繞組單相接地故障位置查找及原因分析

楊桂周，李聲寶

（東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，浙江 杭州310020）

0 前言

水輪發(fā)電機定子繞組單相接地是水輪發(fā)電機常見的一種故障。發(fā)電機在運行過程中，可能引起定子繞組絕緣擊穿對地短路故障的原因很多，例如，制造時定子線棒絕緣存在局部缺陷；安裝過程中損傷了定子繞組主絕緣；安裝或檢修過程中有導磁性金屬異物遺留在定子繞組端部；運行中定子繞組上方零件脫落掉在定子繞組端部；定子繞組絕緣老化、受潮造成定子繞組絕緣在運行電壓或過電壓下被擊穿等。本文結(jié)合某電站定子繞組單相接地點的查找過程，介紹了幾種查找故障位置的方法，為類似事故的處理提供參考。

1 事故發(fā)電機基本參數(shù)

發(fā)電機基本參數(shù)見表1。

表1 發(fā)電機基本參數(shù)

定子繞組接線方式略圖如圖1所示。

圖1 定子繞組接線略圖

定子繞組為雙層條式波繞組、2支路星形連接、F級絕緣，定子線棒采用真空液壓多膠絕緣工藝，又稱VPR工藝。

2 事故概況

該機組帶25%左右負載運行時，定子接地故障信號報警導致甩負荷停機。停機后將該機組進行了隔離，檢查核對保護A柜故障信號(Alam-sen-MAM20 Hz-Sta)，20 Hz注入式定子接地故障信號一直未能復歸，斷開中性點接地開關(guān)、將PT柜搖出，用2 500 V兆歐表在中性點側(cè)測量定子繞組絕緣電阻為零，調(diào)整兆歐表檔位至500 V測量絕緣電阻仍為零。隨即，對定子匯流母線、定子繞組端部、端箍等位置進行了目測檢查，未發(fā)現(xiàn)有明顯的放電接地點。

之后，拆除了機端出口母線與封閉母線的軟連接，以及中性點母線與中性點裝置的連接螺栓，用2 500 V兆歐表分段對定子繞組、封閉母線、中性點裝置進行了絕緣電阻測量，測量結(jié)果如表2所示。

由表2可知，定子繞組V相對地絕緣電阻為0，即可判定定子繞組V相發(fā)生接地故障。

表2 各部分絕緣電阻測量

3 接地故障位置查找方案

通常，單相接地故障位置查找有直流電壓分擔法、直流加壓法、鉗形電流表法、交流加壓法、電流燒穿法等[1-3]，以下詳細介紹3種利用電站常用設(shè)備進行故障位置查找的方法。

3.1 直流電壓分擔法

一般用于接地電阻值較小的金屬性接地，主要設(shè)備有直流恒流源、電壓表或直流電阻測試儀，測試原理圖如圖2所示。

圖2 直流測試原理圖

測試時，將機端連接點、中性點連接點斷開，并施加一定的直流源，分別測量機端、中性點對地電壓U1、U2，將電壓比轉(zhuǎn)化成匝數(shù)比，如下式：

其中：N1、N2分別為從機端、中性點開始至接地位置的線棒串聯(lián)根數(shù)。

根據(jù)匝數(shù)比，在引線較長的場合，需去除由于引線和匯流母線的長度不同而產(chǎn)生的影響，再結(jié)合定子繞組接線圖便可大致確定接地點的位置。

3.2 直流加壓法

通常用于接地電阻值相對較高的非金屬性接地，主要設(shè)備為5 000 V絕緣電阻表，接線原理圖與直流耐電壓試驗一致。

測試時，用絕緣電阻表給無故障相進行充電，并在定子繞組端部各處安排人員監(jiān)視，待充滿電之后，對故障相進行放電，此時故障點會發(fā)出聲音且伴有火花產(chǎn)生，通過聲音和火花即可判斷放電位置，但此方法需要工作人員較多，對環(huán)境要求也比較高，需要現(xiàn)場安靜且關(guān)閉照明電源，在晚上進行效果更佳。

3.3 鉗形電流表法

適合用于定子繞組支路多、分解困難的情況下，主要設(shè)備有兆歐表、交流調(diào)壓器、鉗形電流表（根據(jù)定子線棒截面大小可能需改裝）。測試原理圖如圖3所示。

圖3 鉗形電流表測試原理圖

測試時，將鉗形電流表置于其中一個支路的線棒上，然后對故障相施加交流電壓，通過調(diào)壓器逐漸升高輸出電壓，當鉗形電流表讀數(shù)達到幾十mA即可，保持電壓不變，再測量其他支路的電流，電流大的支路即可以判斷為故障支路。

同樣的方法對故障支路的單根線棒進行電流測量，此時電流表只需要顯示讀數(shù)即可，檢測到電流為零的那根線棒即為故障線棒。

4 事故發(fā)電機故障位置查找方案選擇及應用

該電站定子繞組為2支路，且分解方便；V相對地絕緣電阻為零，屬于金屬性接地；推薦采用直流電壓分擔法或鉗形電流表法。

考慮現(xiàn)場條件后，采用了直流電壓分擔法，根據(jù)圖2測試原理圖分別為V相的兩個支路通10 A直流電流，測量各部分電壓，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，第二支路出現(xiàn)了分壓現(xiàn)象，即可判斷此支路為故障支路。

表3 直流電壓分擔法測量數(shù)據(jù)1

其中，N為每相每支路串聯(lián)線棒根數(shù)：90。

去除匯流母線長度影響后，初步判斷接地位置應在從機端開始數(shù)第42根線棒附近，考慮測量誤差分別取其前后兩根線棒范圍作為重點檢查對象，接地可能的線棒所在槽位置如表4所示。

表4 從機端開始至接地線棒可能的位置

將此5根線棒對應位置的擋風板拆除后，發(fā)現(xiàn)第43根線棒（176槽）上層線棒在距離鐵心端部80 mm左右處有一個被碳化的凹坑，此處為接地點的可能性很大。為確定此處是否為接地點，將碳化層進行清理后（處理后已有金屬銅露出），用500 V兆歐表再次對故障支路進行絕緣電阻測量，仍然為零，由于擊穿點距離鐵心端部仍有一段距離，應該存在一定的絕緣電阻值，懷疑此處可能不是唯一的接地點。

因此，再次利用直流電壓分擔法通10 A直流電流從漏銅點分別對機端和中性點進行電壓測量，結(jié)果如表5所示。

表5 直流電壓分擔法測量數(shù)據(jù)2

由表5可知，由于沒有出現(xiàn)分壓現(xiàn)象，基本可以確定接地位置為176槽上層線棒凹坑處。將碳化層清理后，由于絕緣電阻仍為零，凹坑邊緣可能還有垂直于主絕緣層向的擊穿點，為了確定修復方案，需進一步確認是否還有其他擊穿點，將凹坑處一定范圍內(nèi)低阻防暈層剝離后，測量其對地絕緣電阻達到1.26 GΩ，剝離范圍如圖4虛線范圍。綜上，可以確定接地點僅此一處且其邊緣不存在層向擊穿。

圖4 低阻防暈層剝離范圍

5 事故發(fā)電機線棒接地位置處理

由于清除碳化層還有較高的對地絕緣電阻，同時接地點距離鐵心還有一段距離，此時處理方案有2種。

（1）作為臨時性處理方案，可將擊穿點附近的絕緣修理后涂刷環(huán)氧膠，用云母膩子將凹坑填平，再包繞適當層數(shù)的云母帶進行絕緣補強，最后涂刷防暈漆進行防暈處理。但臨時處理方案存在短時間內(nèi)再次擊穿的風險。

(2）作為永久性處理方案，即更換線棒。

最終經(jīng)過綜合考慮，決定對接地線棒進行更換處理。

6 事故發(fā)電機接地原因分析

定子繞組單相接地作為定子繞組短路故障中常見故障之一，其引起的原因有很多，就該電站而言，根據(jù)受損部位形態(tài)，該部位是線棒止沉塊位置，可以存留遺落的異物，線棒表面呈現(xiàn)較大直徑的燒損凹坑，符合絕緣長時間受到磁性金屬物質(zhì)反復“感應高溫—電磁振動摩擦—絕緣逐步受損”的特征。

如果有磁性金屬異物附著在定子線棒上，機組運行過程中，附著物會發(fā)生電磁振動并伴隨電磁感應而發(fā)熱，進而導致絕緣逐漸損壞。線棒端部磁場強度很高，當表面有磁性金屬異物附著時，根據(jù)異物大小和通過線棒電流不同，磁性異物受感應加熱后，溫度可達300℃以上，在高溫和振動摩擦同時作用下，線棒絕緣會因逐漸受損而最終導致?lián)舸?/p>

7 結(jié)語

（1）本文介紹了一些利用電站常用設(shè)備查找定子繞組單相接地故障位置的方法，具有較高的可操作性。

（2）當發(fā)電機發(fā)生單相接地故障時，應首先分段確認哪一部分發(fā)生接地（匯流母線、中性點設(shè)備、定子繞組），如判定為定子繞組接地，則需先找出故障支路，利用兆歐表，通過測量接地絕緣電阻確認是金屬性接地還是非金屬性接地，再根據(jù)接地性質(zhì)選擇合適的查找方法。根據(jù)定子繞組的接線方式以及接地性質(zhì)的不同，可能需要將上述幾種方式互相結(jié)合，靈活運用，才可快速的找出故障位置。

（3）發(fā)生定子繞組接地故障，會給電站造成較大的經(jīng)濟損失，為盡可能減少及避免類似事故引起的損失，必須做好預防措施。例如，定子繞組下線時應嚴格按照作業(yè)指導書作業(yè)；下線后應對定子繞組端部進行點檢，確保沒有磁性異物落入其端部；按照DL/T596-1996電力設(shè)備預防性試驗規(guī)程的規(guī)定進行定期檢查維護，同時還應確認定子繞組端部上方螺栓等連接件沒有松動，以免脫落等。

希望本文介紹的幾種查找方法可以為處理類似故障提供一定的幫助，盡可能為電站減少經(jīng)濟損失。