定子绕组接地故障分析及处理方法

 定子绕组接地故障分析及处理方法

王亚树

湖南省湘投金为机电工程有限公司 湖南省 怀化市418000

摘要：水轮发电机组是水电站的主要设备之一，其设备状态直接影响水电站的安全生产与经济效益。本文通过对湖南省怀化市清水塘水电站一起定子接地事件故障进行研究、分析，针对如何快速定位故障点提出了分担电压法与放电击穿法相结合的方式实现精确定位；同时提出故障的快速检修操作流程，在故障发生后从继电保护到监控设备LCU（Local conrtol unit）至事故现场的进行定子接地故障分析，结合设备实际情况采用拆除发电机转子少量磁极的方式进行检修，极大缩短了设备检修周期，对水电站定子金属性接地故障处理有很好的借鉴意义。

关键词：水电站；定子接地；故障定位；快速检修

0引言

清水塘水电站属于低水头河床式水电站，是发电、航运相结合的水资源综合利用枢纽工程。该站共安装有4台SFWG32-96/8200灯泡贯流式水轮发电机组，均采用东芝公司引进国外技术生产的空冷发电机。发电机的主要参数为：单机容量32.83 MW、额定电压10.5 kV、额定电流1852.20 A、额定功率因数0.95（滞后）、额定励磁电压390.0 V、额定励磁电流980.0 A，发电机定子组等级均为F级。

主接线采用双母线扩大单元接线方式，即：1#机与2#机并联接到10.5kV I段母线单元，3#机与4#机并联接到10.5kV Ⅱ段母线单元。

1　事故经过

2018年8月31日21时17分，检查1#机具备开机条件进行开机并网发电，下发开机令后，执行到空载状态时无异常，在发电机并网后继电保护动作将1#发电机出口断路器312 QF直接跳开，再由下位机发出“定子一点接地”停机令，至上位机。现场工作人员使用2500 V绝缘摇表对1#发电机定子绝缘值进行测量，测得定子绝缘电阻值为0.0 Ω，初步判断1#机定子线圈存在金属性接地故障。

2　故障查找

2.1 外观检查

将1#机由“热备用”状态转为“检修”状态，按照检修要求做好相应安全措施防止设备带电、转动，检修人员进入发电机内部按照有限空间作业相关要求执行，进入发电机后检修人员依次对1#机的以下部位进行检查，主要检查是否有爬电或放电痕迹、异物、异味等情况。

1）机端电压互感器、电流互感器、励磁变电缆及1#机所属单元设备；

2）定子绕组端部，汇流母线、引出线、上下线棒端部、线棒出槽口、绝缘盒表面、端箍支架以及绑绳；

3）线棒端部绑扎处附近；

4）线棒上端部挡风板与线棒间隙处。

通过依次对上述部位进行外观检查，未发现异常情况。

2.2 确定故障相

拆除发电机出线连接母排及中性点电缆及母排后，分别对发电机三相定子绕组绝缘电阻值进行测量：A相绝缘电阻为0.0 MΩ，B相绝缘电阻为290.0 MΩ，C相绝缘电阻为300.0 MΩ。对比发电机三相绝缘值，可判定1#机定子A相绕组发生一点金属性接地。

2.3 确定故障点大致位置

通过分析确定A相为故障相后，使用分担电压法对A相进行测量尝试确定接地大致位置。具体方法：对发电机A相绕组A、X两端施加直流恒流源（厂家推荐电流不超过10.0 A），并分别测量A、X端之间电压值UAX，A端对地电压值UAE，X端对地之间电压值UXE，三者间电压值在理论上应满足下式：

进行直流测试时的接线原理图如图1所示：

图1  直流测试原理图

根据厂家提供的A相绕组的直流电阻出厂数据为0.01883 Ω，然后改变通过绕组的电流值以获取不同的电压值UAE，如下表1所示。相对而言，输出的UAE值越大，测量结果越准确，查找的接地点也更精准。但在实际应用中，不能仅考虑输出电压UAE值，也要综合考虑测试时电流可能导致绕组发热问题、测量设备的选型问题及试验中人身设备安全问题。

在进行试验时，推荐用10.0 A电流进行测试，若获取的测试结果出现较大误差，无法满足UAX＝UAE+UXE，可尝试使用20.0 A电流进行测试。

表1 通过绕组不同电流时的对应电压值

根据上表，可以选用直流电源设备为微机继电保护测试仪或直流电阻测试仪等有直流恒流源输出的设备，测量直流电压设备为毫伏表。同时为了尽可能消除绕组两端引线对测量结果的影响，测量电压值的位置应该尽量靠近绕组本体，这样在测量范围内的导体可以看成一根截面相同、电阻率相等、中间没有接头的导体，便于下一步的换算。此外，在测量过程中一定不能在A相上人为增加接地点，以免绕组两点接地而形成寄生回路。

每相每支路的导体数为240（上下层线棒各120根），通过分析电压值UAE和UXE与UAX之间的比例关系来确定接地点位置（所在的大致槽号），大致槽号确定后，重点检查大致槽号附近位置异常情况。

根据上述方法测量得到：A端对地电压UAE

为20.1 mV，X端对地电压UXE为187.1mV，A端对X端总电压UAX为209.0 mV。

同时，由

可得出，接地点大致位置为定子线棒240根中的第23根（从A端算起）附近，如图2所示，定子的第23根线棒位置，对应54槽定子线棒。

图2  定子线棒接线图

2.4 查找接地点

为了进一步定位故障点，采用放电击穿法进行查找，即使用一个交流调压器，运用击穿法故障点进行确认，并在绕组两端不同部位派专人观察具体放电点，重点关注经测量得到的大致位置。

在进行击穿试验时，按照电压等级由低到高逐级增加设定击穿电压，当完成设定击穿电压的设定后，使用绝缘放电杆对定子线棒A相进行放电，通过听声音、看放电火花、闻味道等方式查找，这样即可确定接地点的准确部位。

在放电击穿过程中，一定要做好对人身和设备的保护，在调压器电源侧前加装安全开关，防止厂用电跳闸，同时进入发电机的人员要做好绝缘防护措施。

图3  1#机损坏铁芯

采取直接击穿故障点方法，已成功找到接地点位于第23根线棒，但此方法不足之处就是可能烧损部分铁芯。

图4  1#机损坏铁芯展开

在对铁芯进行处理、修复时，我们首先使用小型直磨机对烧损局部进行打磨，完成打磨后可以明显看到磁轭片的叠片形状，然再将磁轭片分层分开，并在烧损的铁芯处涂刷绝缘漆。

3　接地线棒处理

从定子绝缘损坏情况分析，应更换绝缘损坏的线棒。

3.1 抽出损坏线棒

因为灯泡贯流式机组吊转子繁琐、检修周期长，所以本次事故抢修不考虑将发电机转子吊出，充分利用灯泡贯流式机组预留有的检修位置，并采取拆除发电机转子少量磁极的方式进行检修。剥除故障线棒端部绝缘层，拆除引线连接板。

将线棒与引线分离，退出槽，解除绑绳，取出已损坏的上层线棒，清理定子铁芯及槽内绕组。

3.2 安装新线棒

1）对新线棒进行绝缘处理后，再对其进行31.5 kV的交流耐压试验并检验。

2）按图纸要求，在槽内放入层间垫条，加装2支新测温电阻。

3）将耐压合格的线棒嵌人槽内。检查确认端部伸出长度符合要求，控制线棒与引线之间的间隙误差，并垫好相应的垫条及半导体玻璃坯布，用浸有固化环氧胶的玻璃丝带和间隙块将线棒相互绑紧，最后将槽楔打紧。

3.3 引线接头整理和包扎

首先清理线棒端部，清除表面凹槽及不规整的地方、氧化物及油污，然后对齐上、下层线棒环形引线头，若对不齐，则需进行校形，最后采用中频焊机焊接线棒引线头连接板，将每侧线棒端头2次焊完，接头回路电阻测量根据厂家规定，一般在3.0 uΩ，但一定要检查焊接焊透焊满。

接头每包1层云用带（一半叠一半）后刷1次环氧树酯漆，共包16层，最外层则包1层玻璃丝带。

3.4 定子绕组试验

通过上述处理后，1#发电机经交流耐压、直流泄漏、绝缘测试以及转于绕组绝缘测试等试验。均合格后，恢复并网发电。

4　定子接地原因分析

在2010年左右1#机曾发生阻尼条烧损事故，转子磁极阻尼条进行过更换。在全部更换后，进行电机内部清扫时未能彻底清扫干净，导致有少许的铁屑或磁性金属物质遗留在定子内部。而遗留的金属物质被转子产生磁场吸附在转子磁极上，其间存在的某些有尖角的金属物质，被磁极端部吸附后在旋转过程中，直接刺入定子线棒，导致线棒直接短路接地。

5　防范措施

为了防止类似故障的再次发生，应采取以下措施：

1）结合机组大小修，加强对机组定子绕组端部、定子气隙、环形引线、过渡引线、绝缘盒等部位绝缘的检查，及时发现和处理绕组存在的缺陷。

2）结合机组大小修，对各项试验数据加强分析，发现异常应及时查找原因并处理。

3）进一步完善作业、验收制度，每次都必须对进出工作现场的人、物等进行清点记录和建立档案，实行作业人员负责质量，验收人负责效果；责任到人，不放过任何死角和隐患，用验收记录说话，不将习惯当成经验。

6　结语

本文对清水塘水电站的定子一点接地故障的分析、处理过程进行介绍，重点阐述了接地故障点的查找与线棒的处理，并考虑检修周期结合实际情况提出了拆除少量磁极的检修方式，对同类型事故处理具有一定的参考意义。同时，针对本次事故原因，对设备检修过程及验收提出相应要求，保障设备的安全稳定运行。

参考文献：

[1] 黄林根,吴卫国.电气设备运行及维护[M].河海大学出版社,2005年

[2] 电气设备预防性试验规程DL/T596-1996

作者简介

王亚树(1985)，男，工程师，长期从事水电站电气设备检修及日常维护工作