某電廠燃機發(fā)電機定子絕緣故障分析及處理

江蘇華電吳江熱電有限公司 徐惠蕊 高 馳

某公司1號聯(lián)合循環(huán)機組于2013年3月投入商業(yè)運行，燃機發(fā)電機采用某制造廠生產(chǎn)的QFR-135-2J 13.8kV靜止勵磁燃氣輪發(fā)電機，發(fā)電機額定容量158.8MVA，采用空氣冷卻方式，發(fā)電機定子共66槽，每槽安裝2根導(dǎo)線，采用F級絕緣，發(fā)電機出廠時間為2011年11月。#1發(fā)電機自投產(chǎn)運行至今未出現(xiàn)出口短路和接地故障，運行情況穩(wěn)定。但發(fā)電機運行溫度偏高，長期運行溫度超過115℃，線圈最高溫度達125℃。

2022年12月18日，某公司1號發(fā)電機開始行大修；12月25日，開始發(fā)電機抽轉(zhuǎn)子、發(fā)電機本體內(nèi)部檢查及試驗合格。2023年1月13日，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機膛內(nèi)結(jié)露，有凝結(jié)水現(xiàn)象，測試線圈絕緣低，干布擦拭并在膛口加裝通風(fēng)扇進行空氣流通，投入發(fā)電機空間加熱器。

2023年1月28日，1號發(fā)電機三相線圈絕緣低，加裝外部熱風(fēng)加熱裝置對定子鐵芯、線圈進行加熱吹掃處理。截至2月8日，外部加熱仍無效果，采取加熱試驗的方法，額定轉(zhuǎn)速下線圈通電流加熱除潮氣。2月9～15日，先后11次加熱試驗，絕緣有明顯好轉(zhuǎn)，但尚未達到直流泄漏和直流耐壓試驗要求，不滿足啟動要求。2月17日，抽轉(zhuǎn)子后2500V三相定子絕緣電阻均大于1GΩ；B相交直流耐壓試驗通過；A相、C相交流耐壓、直流耐壓均無法升壓，C相試驗中有明顯放電現(xiàn)象。2月19日，綜合分析1號燃機發(fā)電機定子線棒多處存在明顯絕緣異常，確定整體線棒更換，計劃工期2月23日至3月25日。

1 檢查情況

1.1 提高發(fā)電機定子絕緣試驗及措施檢查情況

2023年2月9～13日，進行了10次加熱試驗（三相短接、電流控制在80%以下）加熱，加熱時間在2～2.5h，每次加熱后進行了絕緣電阻測量，其中在第3次、第10次加熱后進行了試探性直流耐壓試驗。第10次直流耐壓試驗時，C相在25.5kV時有放電聲。2023年2月14日，復(fù)測2500V絕緣電阻測量均在300MΩ以上，直流耐壓B相27kV，C相20.3kV放電（兩點鐘方向，上次23kV），A相6.4kV（2000uA，最大）無法繼續(xù)升壓。2023年2月15日，第11次加熱，加熱時間9h，額定電流控制在80%以下。加熱試驗后，2500V絕緣電阻測量均在1GΩ以上。

1.2 轉(zhuǎn)子出膛檢查情況

試驗及定位情況：2023年2月17日，1號發(fā)電機轉(zhuǎn)子出膛后進行了定子絕緣電阻測量、直流耐壓試驗以及電暈試驗。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析，A相、B相絕緣電阻在2500V、5000V電壓下均大于1GΩ；C相絕緣電阻在2500V電壓下大于1GΩ，但是在5000V電壓下20MΩ。A相、C相交流耐壓和直流耐壓試驗無法正常升壓，判斷發(fā)電機A相、C相線圈有明顯貫穿性缺陷；B相交、直流耐壓試驗通過，但是直流泄漏電流異常，交流耐壓監(jiān)測電暈發(fā)現(xiàn)多處光子數(shù)超過1000，表明B相也存在絕緣缺陷。

定子膛內(nèi)情況檢查：膛內(nèi)檢查勵側(cè)2點鐘位置，發(fā)現(xiàn)明顯碳化痕跡，與2月14日C相直流耐壓時擊穿放電相對應(yīng)，基本確認為C相放電點，該處放電點處于線棒綁扎帶和墊塊處，初步分析為該處線棒處于綁繩和墊塊處運行中振動磨損造受損絕緣薄弱加之受潮結(jié)垢形成擊穿放電點。同時，發(fā)電機膛內(nèi)檢查發(fā)現(xiàn)勵端和汽端共23根線棒表面絕緣出現(xiàn)破損，部分絕緣破損處出現(xiàn)碳化情況。#15下層線棒出現(xiàn)放電點，為C相，#16、#18為上層線棒，位于B相，#34、#35、#36、#37、#38為上層線棒，位于C相，#39、#40為上層線棒，位于C相，#58、#59、#60為上層線棒，位于A相，#61、#62為上層線棒，位于A相。各線棒絕緣開裂處均為出槽口8cm左右位置（高阻帶與低阻帶搭接部位），絕緣破損位置存在水漬。

1.3 情況分析

發(fā)電機A相、C相直流耐壓試驗，泄漏電流均達到2000μA以上，且充電現(xiàn)象不明顯，可以判斷發(fā)電機線圈有明顯貫穿性缺陷。B相直流耐壓試驗，各階段電壓下，泄漏電流不成比例升高，表明絕緣存在貫穿性缺陷。發(fā)電機A相、C相交流耐壓無法升壓，說明線棒絕緣已經(jīng)擊穿。

發(fā)電機膛內(nèi)檢查發(fā)現(xiàn)勵端和汽端共23根線棒表面絕緣出現(xiàn)破損，部分絕緣破損處出現(xiàn)碳化情況。#15下層線棒出現(xiàn)放電點，為C相，#16、#18為上層線棒，位于B相，#34、#35、#36、#37、#38為上層線棒，位于C相，#39、#40為上層線棒，位于C相，#58、#59、#60為上層線棒，位于A相，#61、#62為上層線棒，位于A相。各線棒絕緣開裂處均為出槽口位置，均位于發(fā)電機線棒直線絕緣與手包絕緣分界處。分析為發(fā)電機長期運行溫度高，且燃機啟停次數(shù)較多，發(fā)電機線棒直線絕緣與手包絕緣分界處受熱膨脹不均勻，造成絕緣層斷裂，絕緣老化情況嚴重。且各線棒絕緣斷裂位置一致，證明此絕緣缺陷為共性問題。

2 原因排查試驗開展情況

2月22日，國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院完成1號發(fā)電機定子端部模態(tài)試驗，試驗合格，發(fā)電機定子線圈不在共振區(qū)域。2月23日開展電容沖擊法排查定子放電部位。A相電容沖擊試驗電壓14kV，C相電容沖擊試驗電壓10kV。由于A相、C相絕緣電阻為0，導(dǎo)致高壓電壓無法在故障點建立，在沖擊電容放電時直接導(dǎo)通。判斷A相、C相存在貫穿性擊穿，無法定位線棒的具體位置。

2.1 拆除線棒檢查

初步檢查線棒存在明顯絕緣缺陷共23根，分布面積較廣主要集中在A、C相，非局部絕緣缺陷，局部處理無法滿足發(fā)電機長期穩(wěn)定運行，現(xiàn)由原制造廠家對整臺發(fā)電機定子線棒進行更換。截至3月9日，132根定子線棒全部取出。因發(fā)電機定子層間墊條上、下面均為含膠半導(dǎo)體適型氈，含膠半導(dǎo)體適型氈在高溫固化后與線棒粘連在一起，且定子下線安裝時，線棒側(cè)面與槽之間用半導(dǎo)體玻璃布板填充間隙，兩方面因素導(dǎo)致抬取線棒不順利。定子線棒在取出和清理層間墊條的過程中都對線棒絕緣和防暈層造成損傷，定子線棒拆除后已破壞，部分故障點損壞，查找全部放電部位難度增大。通過現(xiàn)場排查及拆除定子線棒分析，發(fā)現(xiàn)多根線棒故障點位置為線棒出槽口8cm左右位置部位，存在開裂，電暈腐蝕、放電碳化痕跡。部分線棒在相同部位存在不同程度開裂、碳化痕跡。不同線棒的相同部位，由輕到重存在碳化痕跡、電暈腐蝕、電暈放電痕跡。

2.2 定子線棒切割檢查

某電機廠對存在放電痕跡線棒電暈放電處部位切割檢查，發(fā)現(xiàn)線棒絕緣厚度不均勻，絕緣層有分層，膠化線圈銅線傾斜，膠化線圈圓角較尖，故圓角處的絕緣較薄。

2.3 發(fā)電機定子線棒運行溫度偏高對絕緣影響分析

1號發(fā)電機定子運行溫度對比同類型機組相對偏高，但未超過報警值和絕緣材料設(shè)計值，發(fā)電機定子線棒長期運行溫度高會加速絕緣材料惡化。本次大修中絕緣低線圈通電流加熱驅(qū)潮處理，線棒最高溫度為105℃，未超過設(shè)計報警溫度?，F(xiàn)場檢查分析故障線棒未發(fā)現(xiàn)過熱跡象，因此溫度偏高不是本次線棒絕緣異常的直接原因。

導(dǎo)致定子線棒運行溫度偏高原因，一是某制造廠發(fā)電機定子線棒截面載流量偏小，定子大電流時易發(fā)熱；二是發(fā)電機冷卻系統(tǒng)設(shè)計容量偏小，冷卻器設(shè)計功率為1800kW，目前某汽輪電機廠生產(chǎn)此同等型號發(fā)電機冷卻器設(shè)計功率增至2000kW；三是線棒側(cè)面與槽之間用半導(dǎo)體玻璃布板填充間隙并刷膠固定，阻礙部分冷風(fēng)通流，影響定子線棒散熱。

2.4 發(fā)電機定子線棒磨損對定子線棒絕緣影響分析

定子繞組槽內(nèi)敷設(shè)工藝為層間墊條上、下面均為含膠半導(dǎo)體適型氈，含膠半導(dǎo)體適型氈在高溫固化后與線棒粘連在一起，線棒側(cè)面與槽之間用半導(dǎo)體玻璃布板填充間隙并刷膠固定。在定子線棒拆解過程中可以知，線棒在線槽內(nèi)比較牢固，現(xiàn)場未發(fā)現(xiàn)線棒綁繩有松動跡象，未發(fā)現(xiàn)黃粉等線棒磨損痕跡；發(fā)電機定子繞組端部動態(tài)特性和振動測量試驗合格，定子繞組不發(fā)生共振磨損破壞定子線棒外絕緣的問題，絕大部分線棒絕緣開裂處為出槽口8cm左右位置，距綁繩和墊塊一段距離，基本可以排除線棒磨損導(dǎo)致本次大部分絕緣異常。

2.5 發(fā)電機定子線棒受潮原因分析

1月4～13日該地區(qū)有連續(xù)多天陰雨天氣，空氣濕度較高，低溫產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象。檢修人員未考慮結(jié)露對定子線棒的影響，以及定子線棒出槽口8cm左右位置（高阻帶與低阻帶搭接部位）存在開裂或局部間隙隱患，水分夾雜灰塵等污垢侵入該部位絕緣層，導(dǎo)致線棒絕緣能力降低，定子線棒受潮引發(fā)本次大部分絕緣異常。

2.6 發(fā)電機定子線棒工藝質(zhì)量缺陷

制造廠工藝質(zhì)量存在缺陷，多根（搶修前檢查中發(fā)現(xiàn)23根）定子線棒出槽口8cm左右位置部位存在開裂破損、電暈腐蝕、電暈放電痕跡，因該部位絕緣材料不同、搭接面較小、存在間隙和綁扎緊度等影響，運行后由于多種原因形成開裂，防電暈措施部分失效。多根線棒絕緣層開裂處有明顯“水漬”，為水氣、粉塵、磁性物質(zhì)等從開裂處滲入，形成放電的通路。在高磁場下產(chǎn)生電位差，發(fā)生局部放電或電暈放電，導(dǎo)致該部位絕緣能力降低。

綜上分析，某公司1號發(fā)電機定子線棒端部出槽口8cm左右位置（高阻帶與低阻帶搭接部位）開裂，絕緣防高場強質(zhì)量工藝不佳，在發(fā)電機端部高磁場強度下，定子線棒絕緣層開裂部位存在電暈腐蝕、放電碳化故障致使絕緣劣化。空冷發(fā)電機運行中灰塵等污垢不斷侵入附著在端部繞組開裂處形成重大隱患，大修期間線棒表面結(jié)露、潮氣作用，使水分夾雜灰塵等污垢侵入該部位絕緣層使得隱患顯露，端部表面絕緣強度降低，感應(yīng)電場變得極不均勻，形成感應(yīng)電暈放電的通路，導(dǎo)致大量線棒絕緣不合格，耐壓試驗無法通過，機組無法如期恢復(fù)運行。

3 暴露問題及下一步工作

3.1 暴露問題

設(shè)備檢修管理存在缺失，未考慮潮濕天氣對發(fā)電機定子絕緣影響，定子線棒存在絕緣隱患，受潮引發(fā)本次故障。依據(jù)《隱極同步發(fā)電機技術(shù)要求》（GB/T7064-2017）5.3.4規(guī)定：允許配備加熱裝置，以保證停機時機內(nèi)相對濕度低于50%，發(fā)電機膛內(nèi)雖有加熱器，但轉(zhuǎn)子抽出后膛內(nèi)空間變大，加熱器不能滿足停機時機內(nèi)相對濕度低于50%的要求。

設(shè)備隱患排查不深入，同類型產(chǎn)品存在定子絕緣薄弱隱患未能關(guān)注到。針對廠家生產(chǎn)的同類型機組，發(fā)電機的轉(zhuǎn)子和定子存在品質(zhì)不高問題，該公司未能及時收集在無錫、廣東某電廠暴露定子線棒絕緣隱患問題；同時檢修中未及時發(fā)現(xiàn)多根定子線棒出槽口8cm左右開裂，致使潮氣通過開裂處浸入線棒絕緣，使得A、C相定子線棒絕緣低，導(dǎo)致本次大修中缺陷突然暴露時處于被動局面。

3.2 故障線棒處理及線棒拆裝

鑒于缺陷線棒數(shù)量較多，會同各方專家分析診斷缺陷形成原因及制定處理方案，后續(xù)針對線棒故障點絕緣層材質(zhì)工藝繼續(xù)分析。

定子鐵芯保護：監(jiān)督拆除線棒期間鐵芯保護；定子鐵芯清理：定子槽清理徹底，風(fēng)道清理檢查有無異物（鐵磁性物質(zhì)），檢查鐵芯齒片受損的位置并進行專項處理，鐵芯修復(fù)處涂膠固定（防止運行后齒片震動）；定子鐵芯驗收：對清理干凈的鐵芯開展鐵損試驗，如鐵損試驗有發(fā)熱點及時處理并再次試驗直到通過為止；回裝實施方案：讓廠家提供線棒進廠驗收、存放、試驗、回裝等工藝、質(zhì)量和標(biāo)準要求，組織發(fā)電機專家審核，合理設(shè)置質(zhì)檢點，方可進行線棒安裝工作；修后試驗驗收：確定修后發(fā)電機按新發(fā)電機的標(biāo)準開展交接試驗項目，保障合格的發(fā)電機投運；線棒冷卻措施：復(fù)核發(fā)電機冷卻器容量，運行期間控制發(fā)電機定子線棒運行溫度。

3.3 預(yù)防措施制定

1號發(fā)電機定子搶修期間，某公司制定1號發(fā)電機轉(zhuǎn)子防潮措施，單機運行安全運行措施，并嚴格落實執(zhí)行；開展同類型隱患排查，某公司制定3號發(fā)電機隱患排查方案，適時開展；加強檢修過程管控，重點關(guān)注定轉(zhuǎn)子受潮、鐵磁異物遺漏、線棒電腐蝕排查等，加強關(guān)鍵節(jié)點驗收把關(guān)；發(fā)電機運行指標(biāo)控制，調(diào)整發(fā)電機冷卻進出風(fēng)參數(shù)，使發(fā)電機定轉(zhuǎn)子運行溫度符合設(shè)計要求。