发电机定子绕组接地故障诊断与处理

作者：席伟 毛先强

来源：《中国科技博览》2015年第03期

        [摘 要]简要分析发电机定子接地产生的原因，介绍发电机定子接地故障的判断，接地点的确认和处理方法。

        [关键词]发电机定子 接地 危害 击穿 故障 处理

        中图分类号：TB857+.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）03-0007-02

        1. 前言

        发电机是电力系统中的重要电力设备，它的安全运行将直接影响着整个电力系统的可靠供电，而发电机定子的绝缘性能是发电机组能够安全运行的保证，因此，对发动机定子的绝缘状况的安全性评估，发电机定子绝缘发生故障原因分析，并采取有针对性的预防措施，以及故障发生后对故障点的准确判断和处理，具有重大意义。

        发电机组在运行时，由于电压、电流、局部发热、油污腐蚀、机械振动以及其他因素的影响，以及预试时的高压试验，都会使定子绝缘材料发生变化或损坏，导致其绝缘性能出现劣化，致使失去绝缘性能，造成定子接地事故，将给生产带来很大损失。

        2. 接地事故的原因

        造成发发电机定子绕组绝缘故障的原因很多，其主要有下列原因：

        1） 在制造过程中线棒固定不好，由振动而造成线棒移位，使绝缘严重磨损；

        2） 在运行过程中长期过负荷造成线棒过热或铁芯损坏使线棒局部过热；

        3） 运行中的过电压使线棒的绝缘击穿；

        4） 短路故障、非同期并列使线棒受到过大的电动力冲击，引起线棒槽口处变形使绝缘损坏；

        5） 由于匝间短路发展到对地或相间短路等，都会引起定子线棒绝缘击穿；

        6） 由于运行日久，绝缘受各种外界因素如潮气、油污、污尘长久的侵蚀的作用引起绝缘老化时，也会使发发电机发生线棒被击穿的事故；

        7） 在发电机定子矽钢片安装时，局部铁芯未压紧，导致未压紧部位在机组运行时温度较高，破坏定子绕组绝缘，发生绝缘击穿事故；

        8） 线棒在制造过程中，由于材质内部局部质量存在缺陷，在出厂试验和交接试验中其绝缘满足规范要求，但在机组运行一段时间后，缺陷部位温度将较高，破坏绝缘，导致发生绝缘击穿事故。

        3. 接地事故分析

        发电机组在长期运行过程中，定子绕组发生接地事故的发生概率将随运行时间的增长而加大，从发生定子绕组接地的现象表明，引起定子绕组事故的最普遍原因是定子绕组油污腐蚀及定子铁芯槽楔、垫块、垫条松动，定子绕组端部绑绳松动断裂，致使绕组在运行中产生振动，造成主绝缘磨损腐蚀被击穿。

        3.1 定子绕组腐蚀的特点及部位

        绕组主绝缘的腐蚀损坏分为2类：一类是从绕组外部主绝缘开始向内的腐蚀损坏，通常称为外腐蚀；另一类是从绕组内部绝缘开始向外的腐蚀，通常称为内腐蚀。

        3.1.1 绕组主绝缘外腐蚀损坏

        1） 发电机定子绕组端部和定子铁芯内绕组振动，使绕组主绝缘腐蚀损坏，这是外腐蚀损坏事故中最为普遍也最为严重的现象。造成这种腐蚀损坏的主要原因是，发电机在运行中，因其端部绕组在电磁力的作用下产生振动，致使绕组在定子铁芯槽内端部固定不牢处，发生槽楔、绕组层间垫条、端部间隔垫块和绑绳松动脱落，绕组与绑绳及间隔垫块之间出现摩擦，防晕半导体漆破坏发生电晕腐蚀，从而造成槽部和端部绕组主绝缘击穿。

        2） 定子铁芯内部磁性物质的磨损腐蚀。这种情况主要是由于安装或检修过程中没有认真清理、吹扫定子绕组，导致绕组缝隙及其它死角处遗留了一些微小的磁性杂物，在发电机运行时磁性杂物被吸附在绕组主绝缘表面，在电磁感应及电磁力的作用下，磁性杂物呈旋转方式运动，将绕组主绝缘磨钻出坑洞。

        3） 定子绕组的油污腐蚀。大部分发电机组都存在不同程度的漏油和甩油现象，因而发电机绕组因油污腐蚀烧毁的事故也相当普遍。这类故障发生的部位基本集中在发电机定子槽口、绕组端部和绕组鼻端引线处。其特点是油污附着在绕组上，对绕组主绝缘起溶解浸蚀作用，使主绝缘与导线分层绕组整体绝缘强度降低，长时间运行后造成定子绕组相间短路、接地短路等故障。

        4） 定子铁芯硅钢片对绝缘的磨损腐蚀。在压装定子铁芯的过程中，如果硅钢片叠片不整齐，或者定子铁芯通风槽钢及端部压指压装固定不良，或者在检修中损伤了定子铁芯，都会造成发电机运行时发生振动，磨损绝缘，最终导致绕组的主绝缘被击穿。

        5） 绕组内腐蚀一般都是从绝缘与导线间的气隙气泡、绕组直线与端部的R角、绕组引出线焊接，以及绕组导线内部存在微小气泡和渣子处等部位开始的。内腐蚀现象首先是绕组内部绝缘变白并逐步扩大，随后烧损绝缘形成坑洞并积有大量绿色粉末，从而加速导线股间及主绝缘的腐蚀损坏，直至主绝缘击穿。另外，温度过高导致的热老化也是造成内腐蚀的一个重要因素。

        3.1.2 绕组发生内、外腐蚀的原因分析

        发电机定子绕组发生内、外腐蚀的原因，主要是由于绕组主绝缘在发电机运行中，长期在电磁振动、高温度和高电压的作用下而遭到振动磨损、电晕腐蚀及绝缘热老化，使绕组整体绝缘出现脱壳、分层、烧灼、磨损和绝缘强度降低等现象，最终造成绝缘击穿故障。

        1） 电磁振动磨损腐蚀

        发电机在运行中产生的各种机械振动，都会磨损腐蚀绕组绝缘，其中最主要的是电磁振动对发电机端部绕组及槽口的影响。如果定子铁芯压装质量不好，绕组端部绑扎工艺不良，使绕组在槽内因固定不良而产生幅值很大的振动，层间垫条和测温元件垫条就会在上下层绕组之间来回窜动而磨损上下层绕组，使绕组主绝缘受损。更严重的是，如果绕组运行中导线通过的电流产生2倍频电磁振动力，则不仅会使绕组与铁心及绕组端部间隔垫块发生振动，使主绝缘表面磨损，而且还会使导线与主绝缘之间，导线的匝间、股间产生摩擦振动，造成导线的匝间、股间松散、短路、断股。同时，在短路部位产生附加损耗与温升，会加速局部主绝缘老化，降低绝缘强度，甚至在正常工作电压下也会造成绝缘击穿故障。因此，电磁振动是造成绕组主绝缘外腐蚀和内腐蚀损坏的主要原因。

        2） 电晕腐蚀

        发电机运行中，绕组绝缘承受着较高的电场强度，如果绝缘表面防晕层与定子铁芯接触不良，绕组在槽内发生振动就会磨损绝缘表面防晕层。因此，在进行绕组安装时，其槽电位值在相电压时不应大于10V，如绝缘表面对铁芯即槽电位有较高的电位时，在磨损部位会产生电晕放电，造成局部瞬时高温，将绕组主绝缘及其它附属绝缘材料烧灼、烧焦。电晕放电还能产生破坏力较强的化学反应，严重腐蚀绝缘和绕组导线。另外，绕组端部防晕处理不好，会造成电容电流过大，引起定子端部绕组发热，加速端部绕组绝缘热老化腐蚀。

        3） 绝缘热腐蚀

        发电机鼻端的接头因焊接工艺不良而发生焊接点过热甚至开焊，定子铁芯端部漏磁通增加铁损，绕组防晕层磨损发生电晕放电，定子铁芯进入大量油污堵塞铁芯通风孔，绕组水路空心导线堵塞，都会造成绕组局部或整体温度过高。当温度超过绝缘的容许值时，绝缘的粘接能力和机械强度降低，使绝缘流胶、老化、起层、松散、脱壳，加快了绝缘热腐蚀的速度，缩短了绕组的使用寿命。

        4. 故障点的查找

        发电机定子接地状态可分为：动态接地、高内阻接地和金属性永久性接地。

        发电机定子绕组接地事故发生时，有部分现象可以采用看和听可以直接发现，但大部分事故点无法直接发现，采用绝缘电阻测试仪进行测量其绝缘电阻较低或为0，采用万用表测量其对地电阻也较低，因此，对发电机定子绕组小范围接地事故，首先采用目视检查，在无法采用目视外观检查发现接地点，可采用“直流压降法”和“加压法”。

        4.1 外观检查

        在发电机转子未吊出基坑时，首先做好安全措施，防止机组转动，方可进入风洞，对定子绕组上下端部绕组进行外观检查，必要时需拆除上下挡风板进行检查，如能发现接地点，可根据接地位置是否能得到有效处理，以及处理时的难度情况进行处理，如不拔线棒采用包扎处理，和更换线棒。如无法发现接地点，需将转子吊出后进行故障点查找，检查和处理方式同未吊出一致。

        4.2 直流压降法

        1） 当定子接地为动态接地和高内阻接地性质时，首先，在接地绕组上反复施加冲击电压方式将其接地状态发展为金属性永久性接地，多次测量其对地电阻将一直保持在较小范围内，其值基本无变化。

        2） 采用直流压降法，只能对接地电阻较小的接地点做出大致判断接地点的位置区域，接线如下图。

        在定子出线端和中心端间加直流电压，分别测量出线端和中心端间直流电压值，以及分别对地的直流电压值，再将两端直流极性调换，再次测量其两间电压值，以及两端对地电压值，根据两次测量电压，按其比例计算，并结合定子绕组接线图，初步判断定子接地的大概位置范围。范围确定后，对范围内的绕组进行详细的目视检查，已确定接地点。

        4.3 加压法

        在接地范围内还是无法确定接地点时，对于接地电阻较大时，采用“直流高压间隙放电法”进行确定，对于接地电阻较小时，采用加交流电流，时接地点扩大，已确定接地点位置。

        4.3.1 直流高压间隙放电法

        根据现场实际情况和试验设备，使用6okV直流泄漏测试仪，对被检查相绕组施加直流试验电压，试验期间安排专人对重点范围内的绕组进行目视和耳听，当发现放电火花或声响时，必须断开直流试验电压后对放电点再次进行仔细观察，以确定接地点。

        采用此方法时必须注意：1）观察人员必须保持在安全距离之外，以确保人员的安全；2）试验时必须派专人进行监护和观察；3）试验时需配置一定数量的灭火器，以确保设备由于油污而着火，使事故扩大。

        4.3.2 交流加压法

        对于接地电阻较低时，采用隔离变在被检查相施加交流电压，对较小的接地点进行扩大，以确定接地点。具体接线如下图。

        将隔离变输出一端接地，另一端串接一只10A的电流表，经限流电阻接至被检查相，缓慢加大调压器输出电压值，使其电流值在4～6A即可，试验期间安排专人对重点范围内的绕组进行监视，此时，接地点的接地电阻处将发热而发出异味或出现异常现象时，必须立即断开试验电压，并迅速对异常点进行处理，防止事故点扩大，此点即可确定为接地点。

        采用此方法时必须注意：1）观察人员必须保持在安全距离之外，以确保人员的安全；2）试验时必须派专人进行监护和观察；3）试验时需配置一定数量的灭火器，以确保设备由于油污而着火，使事故扩大。

        5. 接地点的处理

        5.1 线棒修复

        对于被损线棒进行修复，首先需将损坏线棒取出，再根据绝缘损坏程度较轻的线棒进行处理，较为严重的需返厂修复。

        对新安装的线棒，必须对线棒按交接验收规范要求进行绝缘和耐压试验，确保更换后新线棒的完好。

        5.2 铁芯清理

        采用电气高压绝缘清洗剂，对铁芯及定子进行全面清理，确保定子铁芯及绕组的清洁。

        对铁芯硅钢片突出部位进行平整处理，以及油漆的重新喷涂。

        5.3 电气试验

        在重新下线规程中，必须严格按规范要求进行各项电气试验，以防止过度试验损伤绝缘寿命，也不应降低试验要求，无法判断绝缘。

        试验项目按规范进行：1）崁装前绝缘电阻和交流耐压试验；2）崁装后绝缘电阻、槽电位测试和交流耐压试验；3）整体绕组直流电阻测试、绝缘电阻测试、直流耐压泄漏电流试验和交流耐压试验。

        6. 总结及建议

        综合所述，绝缘的损坏是个不段累计的过程，为了减少定子接地事故的发生，在定子安装、检修和运行过程中，严格按规范和厂家技术要求进行施工，并提出以下建议：

        1） 严格执行绕组端部的绑扎工艺，增强对鼻端、引线、渐开线部位的绑扎连接，以增加端部各部件的整体强度，提高端部抗振能力和抵御短路冲击的能力。

        2） 对于污染较为严重的机组，其大修周期可根据实际情况缩短，及时清除油污对机组的腐蚀。

        3） 发电机检修期间，必须检查槽口的封口槽楔，对松动的槽楔要重新处理。同时检查绕组槽口部位的半导体防晕层是否受到磨损，如果出现磨损，可用注射器将半导体漆顺槽壁与绕组的间隙灌入，以修补磨损部位，防止绕组电晕放电腐蚀。

        4） 定期对发电机端部油污进行清洗，以提高端部整体绝缘的强度。

        5） 可加装发电机定子绝缘局部放电监测仪，随时监测发电机定子绝缘的放电的变化，及时判发电机定子绕组绝缘情况以保证发电机组安全稳定运行，也可为故障检修及周期维护提供依据。

        6） 在运行过程，加强对绕组温度的监测，密切关注绕组温度变化趋势，制定合理的检修计划，及时消除隐患，确保机组的长期可靠运行。

        参考文献

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