发电机定子线棒绝缘烧损原因及对策

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摘要：分析了南津渡水电站灯泡贯流式机组定子线棒绝缘劣化导致接地事故的原因，提出了发电机绝缘劣化问题的解决和处理办法。

　　关键词：水轮发电机定子绝缘器件事故处理设备维修

　　1机组概况

　　湖南省南津渡水电站机组是20世纪80年代末从奥地利ELIN公司引进的灯泡贯流式机组，装机3台，单机容量为20MW.发电机定子直径2.43m，F级绝缘，定子绕组为分数槽双层波绕组；定子线棒主绝缘采用粉氧云母为基础、环氧树脂为胶粘剂、玻璃纤维补强的热固性复合绝缘材料，主绝缘单边厚度2.7mm，线棒与槽壁、槽底、槽楔板、层间半导体隔板间空隙采用注入半导体硅橡胶填充（与国内通常用半导体垫条方式不同）。定子采用贴壁结构，直接固定在灯泡体外壳上。定子铁芯内部无通风道，利用灯泡体外壁作为定子散热面，直接将热量传导给灯泡体外流过的河水中。发电机冷却方式为密闭式水循环强迫风冷。一次冷却系统为密闭空气冷却系统，由位于灯泡头内4台4kW的轴流风机将风向水空冷却器冷却，冷却后的风经过转子轮毂上的5个（单侧）轴向通风孔到达定子下游侧，再经转子极靴间间隙和气隙到达定子上游侧，再后回到风机。二次冷却系统为水空冷却器，采用密闭循环，由灯泡头外河水经灯泡头内冷却套冷却水空冷却器产生的热水。

　　2定子烧损情况

　　2.1定子线棒绝缘击穿

　　南津渡水电站机组先后发生了3次定子线棒绝缘击穿的定子接地故障。首次发生于1999年6月3日，1号机组在并网并带满负荷时，突然发生定子接地保护动作停机，后经检查发现，定子198槽上层线棒（B相）紧靠上游侧槽口处被击穿（击穿点位于槽内）。在处理过程中，发现事故线棒靠近击穿位置约4/5线棒全长处已呈白色，防晕层完全破坏，主绝缘电腐蚀现象严重，而下游侧段线棒从槽口处起有30～40cm长的线棒直线段防晕层没有受损且未发生电腐蚀。2001年7月，亦是1号机组213槽（B相）上层线棒靠近上游侧槽口处发生击穿。2003年6月19日，2号发电机定子222槽下层线棒上游侧槽口击穿。后两次定子接地事故与第一次类似。

　　2.2定子线棒连接部件多次开焊烧断

　　南津渡水电站发电机定子线棒端部接头采用对接锡焊焊接（ELIN公司自为南津渡生产完机组后已不再使用这种工艺）。1、2、3号发电机在2002年和2003年先后发生定子端部连接部件接头焊接处烧断开焊3次，事故发生点均处于发电机上游侧。其中2003年6月19日在2号机事故中同时发现一定子线棒接头的绝缘并头套有严重烧损现象，拆除后发现该接头已部分脱焊，焊锡流出焊口，由于及时发现未造成事故。

　　2.3线棒电腐蚀严重

　　2001年机组运行中发现有臭氧气味，特别是2号机臭氧气味强烈。对2号机检查发现线棒上游侧槽部及槽口处电腐蚀（即电劣化）严重。上游侧1／3线棒段有白色粉状物，1／5槽口处槽壁有黑点、毛刺、啃齿，槽楔松动，硅橡胶老化；下游侧线棒未见异常。上游侧部分线棒与槽壁间普遍存在0.3～1mm间隙，线棒有松动现象。在机组事故抢修中拆下的未击穿线棒也可以明显发现上游侧线棒段电腐严重，填充硅橡胶老化现象，而下游侧完好如初。线棒电腐蚀严重部位为时钟10至2点钟区间，该部位为各相绕组高电位处。其它两台机也有类似现象。

　　3定子烧损主要原因

　　3.1定子线圈槽绝缘结构设计存在缺陷

　　查ELIN公司图纸，定子线棒宽16.3mm，其中股线宽10.9mm，主绝缘2.7mm；定子槽宽为17mm（冲片），槽形宽16.6mm，叠片公差双边0.4mm（单边0.2mm）：槽衬宽0.4mm，加线棒宽为16.7mm，与槽形装配在宽度方向上有0.1mm的过盈，但与冲片宽有0.3mm的间隙：线棒与槽壁间充填硅橡胶0.2mm，双边0.4mm.

　　通过上述数据发现，假若叠片质量很好，则0.4mm的双边公差就偏大。线棒下线公差0.3mm，特别是采用液压成型工艺的，线棒本身公差就较大。合计两部分公差后，在槽壁与线棒之间间隙最大可达0.6mm以上。由于槽壁与线棒间间隙较大，两者之间电位差较大，易产生局放电现象，长时间作用下，可造成线棒绝缘烧损劣化，表现为槽部电腐蚀。南津渡水电站发现的定子槽部有白色粉状物，运行中产生臭氧等，应是长期局部放电所致。由机组10至2点钟区间线棒处于各相高电位区，线棒与槽壁电位差较其它区域要大，局部放电更为严重，从而导致此处电腐蚀最严重。线棒主绝缘单边仅2.7mm，属超薄型绝缘，虽技术比较先进，但不足的是：在线棒换位处对地绝缘更薄，生产加工中在个别换位处形成绝缘层过薄是可能的。在换位处，若存在长期电腐蚀，绝缘被击穿的可能性更大。

　　3.2冷却系统散热能力不足

　　3台发电机事故点及电腐蚀严重区域都处于定子线棒上游侧段，而线棒下游侧段无异常，说明事故及线棒烧损的区域存在规律性。从事故及线棒烧损区域可以发现其处于冷却风道的后段，而冷却风在此段温度已升高，冷却能力相对下降，此区域为定子高温区域。由于在常温附近电介质的热劣化随温度升高而劣化作用加大、劣化速度加快，因此这个区域绝缘劣化速度比其区域快且强烈，造成事故和烧损集中于此区域发生。同样，若定子端部焊接有缺陷而导致发热时，则上游侧开焊事故机率远大于下游侧。造成风冷系统冷却能力不足的原因有：1）由于设计缺陷造成局部放电较为强烈，对定子发热量和温升估计不足；2）冷却系统设计有缺陷。由概况介绍中可知，定子内未设计通风道，定子铁芯内部散热不够，造成热量积累。因冷却风量不足，导致冷却风在风道后段温度过高；3）冷却风到达风道末段后，有风机的强迫抽取作用，由转子磁极间隙和气隙流出的气流直接被风机抽走，上游侧定子端部与灯泡体间局部范围内气流量很小，加上冷却风温度升高等因素使得上游侧定子端部冷却条件差。

　　3.3机械力作用加剧绝缘破坏

　　发电机定子线圈在运行中一旦松动，在机械振动和电磁振动作用下会使主绝缘磨损，造成线圈损坏引起短路和接地故障。检查中发现上游侧线棒与槽壁间有0.3～1mm间隙，线棒松动，可以断定存在振动损伤主绝缘的危害。由于机组线棒振动最剧烈的部位是线棒的端部，使得线棒的槽口段破坏加速，在槽口发生事故机率比在槽内大得多。因此可以很好地解释为什么事故都发生在线棒槽口。分析发电机线棒松动的主要原因有：1）上游侧线圈、槽楔及槽内各间隙填充的硅橡胶等长期处于高温运行中，逐渐收缩；2）3.1所述叠片公差过大等结构设计缺陷；3）长期的局部放电造成绝缘层及硅橡胶的收缩和劣化。

　　3.4运行环境不良

　　灯泡贯流式机组最大的特点是整个机组浸于水下，外壳四周充满河水，机组结构紧凑且封闭。当机壳内温度高于河水，且空气湿度较大时（我国南方天气正有这个特点），就很容易在机壳内腔结露。这种结露在运行中较难发生且影响不大，一旦停机时间较长，就可能结露使发电机受潮，大大降低了发电机的绝缘。ELIN公司的机组设计有防结露设施，但效果不佳，经常在机组停机时，发现有结露现象。另外，由于电站直供了几家冶炼厂和化工厂的电力，而这些厂家未对其所产生的工业谐波加以治理。经权威部门测试发现，谐波指标严重超标，超标谐波主要有3、5、7、11次。这些谐波直接侵入机组，加大了发电机的附加损耗，对发电机绝缘劣化也有一定作用。

　　分析上述几方面原因，其中线棒绝缘设计缺陷和冷却系统冷却能力不足是造成事故和线棒烧损的内在因素，机械破坏作用和不良运行环境加速和加剧了事故和线棒烧损的形成。

　　4对策

　　4.1改造定子绕组

　　由于故障与槽绝缘结构和引出线接头等设计不合理有很大关系，在国内寻找替代厂商进行优化设计，逐步更换定子绕组。通过改变槽内绝缘结构，改进线棒端部接头焊接结构，改变焊接工艺（如采用银铜焊）等，从内在结构上消除或减弱故障产生内因。

　　4.2改造发电机冷却系统

　　由于冷却能力存在不足，因此有必要对冷却系统进行改造。因定子改造短期内难以实现，考虑到更换部分烧损严重的线棒和加固松动的线棒后，发电机在运行条件良好的情况下还能正常运行，应先改造冷却系统，以少的投入，使机组产生最大效益。主要改造措施：1）增大风机容量或增加风机，加大通风量；2）改造或增加水空冷却器，增强其冷却能力；3）改变冷却风流向，将风向逆转，改由从定子上游侧注入，改善上游侧线棒的冷却性能，延长线棒使用寿命；4）改变风向后在定子下游侧增加离心风扇，改善下游侧端部散热性能。

　　4.3加强对机组的监测

　　增加在线监测设备，对机组运行情况及时掌握。特别是要增加测温设施，在定子两端增加测温设施，加上原有定子中部的测温装置，对运行中的定子温度进行监测比较；增加冷却风道末端风的温度监测设施，对冷却风首端风和末端风的温度进行监测比较。

　　4.4改善发电机运行环境

　　先是要治理好工业谐波（目前已完成）。再是要降低机组结露的危害。为减轻结露对机组的影响，在原有的基础上增加三台除湿机，有效降低空气湿度。在机组停机时间较长后，对机组采取一定的干燥措施。

　　参考文献

　　[1]刘云。《水轮发电机故障处理与检修》。北京：中国水利水电出版社，2002.

　　[2]沙锡林，等。《贯流式水电站》。北京：中国水利水电出版社，1999.

　　[3]邱毓昌，等。《高电压工程》。西安：西安交通大学出版社，1995.

　　[4]钟步青。电机的风扇与冷却。电机技术，2003，（3）：26－29.