察爾森水電站2號(hào)機(jī)組定子單相接地故障分析與處理

王明臣

（水利部松遼水利委員會(huì)察爾森水庫管理局，內(nèi)蒙古烏蘭浩特137400）

1 問題

水輪發(fā)電機(jī)定子接地故障對(duì)于水電站來說，是一個(gè)非常嚴(yán)重的問題，必須按照技術(shù)規(guī)范要求，將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子吊出，查出接地點(diǎn)，更換接地受損線圈，此過程相當(dāng)于機(jī)組一次大修，工期長，費(fèi)用高。但在水庫急需泄洪的特殊情況下，采用非常規(guī)技術(shù)手段對(duì)定子接地線圈進(jìn)行處理，便于水輪發(fā)電機(jī)組在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)并網(wǎng)運(yùn)行，對(duì)急需泄洪的水電站來說意義非常重大。2020 年11 月11 日，察爾森水電站在泄流發(fā)電過程中，2 號(hào)機(jī)組突然出現(xiàn)定子接地故障，造成水輪發(fā)電機(jī)組故障停機(jī)。此時(shí)察爾森水庫水位365.10 m,蓄水量10.431億m3，已超過正常蓄水位，需要水電站最大泄流，而2號(hào)機(jī)組的故障停機(jī)給察爾森水庫正常泄流造成嚴(yán)重影響。

2 故障分析

2.1 故障判斷

在設(shè)備生產(chǎn)廠家無法安排技術(shù)人員前來處理的情況下，察爾森水電站技術(shù)人員憑借多年工作經(jīng)驗(yàn)，在不進(jìn)行轉(zhuǎn)子吊出的情況下，解除2 號(hào)發(fā)電機(jī)三相出口母線接線和中性點(diǎn)裝置，拆除上、下?lián)躏L(fēng)板，找出ABC 三相定子線圈的各自走向，用絕緣表分別檢測(cè)ABC 三相線圈絕緣情況。經(jīng)檢測(cè)，A，B 兩相線圈絕緣均正常，而C 相線圈電阻為“零”，說明C 相線圈接地，發(fā)電機(jī)屬于定子線圈單相接地故障。

2.2 確定接地點(diǎn)

確定發(fā)電機(jī)屬于定子單相接地故障后，采用“直通電流”方法，在定子線圈C 相出口斷開處串連200 W 燈泡作為負(fù)荷，將交流電流直接輸入C相線圈，結(jié)果燈泡發(fā)光，這說明C 相確實(shí)存在接地現(xiàn)象。技術(shù)人員使用“鉗形電流表”分別測(cè)量C 相每匝線圈端部電流，有的線圈有電流通過，有的線圈電流指示為“零”，這說明從發(fā)電機(jī)出口至有電流通過的線圈為接地故障線圈，其他線圈正常。為了進(jìn)一步確定線圈接地點(diǎn)位置，將有電流通過的末端線圈和與其相鄰的沒有電流通過的線圈端部切斷，再使用絕緣表分段測(cè)量各段線圈絕緣情況，經(jīng)過測(cè)量可以準(zhǔn)確地判斷出被分割出來的線圈存在接地，而且接地點(diǎn)在定子線圈內(nèi)部，不在端部。

3 接地線圈處理

水輪發(fā)電機(jī)定子線圈接地故障處理是相當(dāng)關(guān)鍵的，常規(guī)方法必須將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子吊出后才能對(duì)故障線圈進(jìn)行更換，此過程相當(dāng)于機(jī)組一次大修，工期長，費(fèi)用高。察爾森水電站技術(shù)人員經(jīng)過認(rèn)真研究和分析，提出在不吊發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的情況下，采用新工藝“跨接方式”對(duì)定子線圈接地故障進(jìn)行處理，即采取短接的方式，將故障線圈隔離出來，再通過焊接手段將其他正常線圈組成獨(dú)立完整回路。采取“跨接方式”處理發(fā)電機(jī)定子線圈接地故障，工序復(fù)雜，難度大、精度高，而且還要克服空間狹小等不利因素。首先，線圈切斷。發(fā)電機(jī)定子線圈是由多組線圈鑲嵌在定子鐵芯內(nèi)部，各組線圈首尾相連并排在一起，將故障線圈切斷而不損壞其他線圈難度很大，技術(shù)人員使用角磨機(jī)利用線圈縫隙將故障線圈切斷。其次，線圈焊接。故障線圈切斷后，使用風(fēng)焊將正常線圈連接的過程中會(huì)產(chǎn)生高溫、火花，極易對(duì)其他線圈造成損害。焊接人員利用阻燃材料石墨墊將其他線圈完全隔離，采取點(diǎn)焊手段將線圈首尾相連。最后，線圈處理。線圈絕緣處理更是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，采用酒精清洗焊接點(diǎn)，涂抹環(huán)氧溫室固化膠，用桐馬環(huán)氧粉云母帶和聚酯纖維帶對(duì)焊接點(diǎn)進(jìn)行多層包扎，最后涂抹環(huán)氧晾干紅磁漆，達(dá)到廠家技術(shù)要求。目前國內(nèi)使用“跨接方式”處理發(fā)電機(jī)定子線圈接地故障只在小型發(fā)電機(jī)上使用過，在3 200 kW 以上大型發(fā)電機(jī)上使用還處于嘗試階段。

4 處理結(jié)果分析

察爾森水電站2 號(hào)機(jī)組定子線圈接地故障采用“跨接方式”處理后，用2 500 V 絕緣表測(cè)量，定子線圈絕緣電阻：

經(jīng)計(jì)算，吸收比大于1.3，合格。

經(jīng)計(jì)算，不平衡度為0.68%，小于2%，合格。

將以上各組數(shù)據(jù)傳到設(shè)備生產(chǎn)廠家校核，得到設(shè)備生產(chǎn)廠家結(jié)論：三相絕緣電阻和直流電阻均滿足廠家規(guī)定和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可以啟機(jī)運(yùn)行。2020 年 11 月 21 日，啟動(dòng) 2 號(hào)機(jī)組經(jīng) 72 h 并網(wǎng)試運(yùn)行，在發(fā)電機(jī)有功功率達(dá)到3 503 kW 時(shí)，定子線圈三相電流A 相330.5 A，B 相312.6 A，C 相319.9 A。定子巡檢1~6點(diǎn)溫度均在38.0~41.8 ℃之間，由此可以判斷：察爾森水電站2號(hào)機(jī)組定子線圈接地故障處理結(jié)果是成功的，2號(hào)機(jī)組具備長期運(yùn)行條件。

5 創(chuàng)造的效益

5.1 直接經(jīng)濟(jì)效益

常規(guī)發(fā)電機(jī)定子線圈單相接地故障處理方法是將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子吊出，找到接地點(diǎn)，更換受損線圈，工期需要15 d，安裝費(fèi)、材料費(fèi)和廠家技術(shù)人員差旅費(fèi)等大約需要37 萬元。采用“跨接方式”處理，工期1 d，人工、材料等費(fèi)用5 000 元，可直接節(jié)省36.5 萬元；機(jī)組提前14 d 投產(chǎn)發(fā)電，按額定出力3 200 kW，上網(wǎng)電價(jià)0.292 元/（kW·h）計(jì)算，可發(fā)電107.5 萬kW·h，創(chuàng)產(chǎn)值31.4 萬元，直接經(jīng)濟(jì)效益較明顯。

5.2 社會(huì)效益

2020 年11 月，察爾森水庫水位365.10 m，蓄水量10.431 億m3，超過正常蓄水位，需要最大放流，而2 號(hào)機(jī)組的故障停機(jī)，給察爾森水庫正常泄洪造成嚴(yán)重影響。2 號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組額定流量13.835 m3/s，在滿發(fā)的情況下，可達(dá)到 119.5 萬 m3/d，提前14 d 啟機(jī)發(fā)電，可泄流1 673 萬m3，極大緩解察爾森水庫泄洪壓力；同時(shí)2 號(hào)機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行，持續(xù)為電站、水庫管理區(qū)、生活區(qū)及國家電網(wǎng)提供清潔可再生能源，節(jié)約了不可再生礦產(chǎn)資源，減少二氧化碳、二氧化硫、粉塵等污染物排放，不僅為察爾森水庫經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入了活力，還增加了清潔能源的供應(yīng)，持續(xù)改善電網(wǎng)和地區(qū)的能源結(jié)構(gòu)。

5.3 間接效益

因新冠肺炎疫情，設(shè)備生產(chǎn)廠家的技術(shù)人員無法及時(shí)來處理故障，初步定于2021年4月份解決，2號(hào)機(jī)組需停運(yùn)150 d左右。故障現(xiàn)采用“跨接方式”處理，提前150 d 并網(wǎng)運(yùn)行，按額定容量3 200 kW、上網(wǎng)電價(jià)0.292 元/（kW·h）計(jì)算，可上網(wǎng)發(fā)電1 152萬kW·h，創(chuàng)產(chǎn)值336.4 萬元；察爾森水庫作為國家大（1）型水利樞紐工程，承擔(dān)著洮兒河流域防洪任務(wù)，2 號(hào)機(jī)組提前并網(wǎng)運(yùn)行，有效緩解察爾森水庫泄洪放水壓力，有效保證水庫大壩工程安全和防洪安全，保護(hù)了水庫下游內(nèi)蒙古、吉林兩省區(qū)7 個(gè)旗縣市的人民生命和財(cái)產(chǎn)安全。

6 結(jié)語

察爾森水電站2 號(hào)機(jī)組定子線圈單相接地故障采用“跨接方式”處理，延長了機(jī)組大修周期，縮短檢修工期，節(jié)省大筆檢修費(fèi)用，還能夠及時(shí)恢復(fù)機(jī)組運(yùn)行，有效緩解泄洪壓力，具有較高的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值；大型水輪發(fā)電機(jī)組采用“跨接方式”處理定子線圈接地故障，目前在國內(nèi)處于嘗試階段，察爾森水電站2 號(hào)機(jī)組采用“跨接方式”成功處理定子線圈接地故障，為國內(nèi)外發(fā)電機(jī)定子線圈故障問題處理提供了參考依據(jù)。