发电机定子铁损试验中绕组接地问题探讨

陈 春，陈春林，陈优良

(国网江西省电力公司柘林水电厂，江西 九江 332000)

2012年底，某水电厂6号发电机大修前定子绕组直流耐压及泄漏电流试验中，发现定子绕组W相绝缘缺陷。拔线棒对定子铁芯处理后做定子铁损试验时，出现接地线过热烧红现象。

1 水电厂概况

该水电厂于1958年秋开工兴建，至1975年6月A厂4台机组全部建成，其总容量为180 MW。1999年开工扩建B厂2台120 MW发电机组，2001年12月扩建首台机组发电，2002年5月第2台机组发电，总装机容量增至420 MW。扩建后该水电厂分为A，B 2个生产厂区：A厂生产区是4×45 MW的混流式机组；B 厂是 2×120 MW 的混流式机组。

2 定子缺陷

该水电厂6号发电机(SF120—80/14800型、P=120 MW，UN=15.75 kV)系哈尔滨电机厂有限责任公司产品，2002年5月投运。2012年底，该发电机进行投运后首次大修。在大修前的直流耐压及泄漏电流试验中，发现定子W相绕组泄漏电流异常，经分析为W相下分支绝缘存在缺陷。

吊出转子后检查，发现定子铁芯波浪度较差，多处局部锈蚀、松动，部分齿部已经脱落形成空洞、断裂未脱落的矽钢片划伤定子线棒主绝缘。定子铁芯锈蚀、松动及绝缘损坏情况如下：4槽—5槽下端部齿压板处冲片断裂4～5片，上层线棒下齿压板处主绝缘破损大约2～3 mm深；18槽中下部、129槽下端部、130槽上端部、157槽上端部、160槽上端部、253槽—270槽下端部、283槽—284槽上端第1片冲片断裂划伤284槽上层线棒主绝缘，深度约1 mm；417槽下端部齿压板处冲片断裂4～5片，上层线棒下齿压板处主绝缘破损大约2～3 mm深。对以上缺陷形成了较大空洞的地方(如4槽—5槽下端部、417槽下端部等)用环氧楔子板和环氧树脂进行了填充。

3 定子铁损试验

3.1 试验目的

发电机定子铁芯是由硅钢片叠合组装而成的。由于制造和检修可能存在的质量问题，或在运行中热和机械力的作用，可能引起片间绝缘损坏，造成短路，并在短路区域形成局部过热，威胁机组的安全运行。

在发电机交接时或运行中，怀疑铁芯绝缘有问题时或铁芯全部或局部修理后，需进行定子铁芯的铁损试验，以测定铁芯单位质量的损耗，测量铁轭和齿的温度，检查各部温升是否超过规定值，从而综合判断铁芯片间的绝缘是否良好。按照相关试验规程，试验时定子铁芯轭部磁通密度应达到10 000 G。

3.2 接地线过热

在发电机定子铁损常规试验中，抽出发电机转子后，应将定子绕组三相短路接地。但如果定子绕组有尚未消除的接地点时，绕组只需短路，不可再接地，以免多点接地使铁芯烧坏。由于这次更换了定子线棒，并且是在对定子绕组进行了绝缘电阻测试合格后才进行的铁损试验，因此在试验时将所有解开并头套的线棒两端均装设了接地线。但在试验过程中，发现接地线有过热烧红现象。

3.3 接地线过热原因分析

3.3.1 定子铁芯相关资料

定子铁芯的结构如图1所示，各部分的具体参数如下：

(1) 铁芯外径：D1=14 800 mm；

(2) 铁芯内径：D2=14 160 mm；

(3) 铁芯高度：L1=1 380 mm；

(4) 铁芯槽深：hc=137.5 mm；

(5) 通风沟高：b=6 mm；

(6) 通风沟数：N=38；

(7) 硅钢片牌号:50 W 270；

(8) 叠压系数：K=0.95；

(9) 铁芯轭部截面：S1=1 997.28 cm2。

图1 定子铁芯的结构示意(未严格按照比例画图)

3.3.2 原因分析

解开了并头套(或过桥)后，如果将单根线棒的上、下端头分别通过定子基座上、下部接地，就形成了由线棒、接地线、定子基座构成的环定子轭部(其中的磁通密度为10 000 G)的闭合回路。

回路未闭合时，感应的电压为：

式中：

B——磁感应强度，G；

S1——定子绕组形成的闭合空间截面，cm2；

f——频率，Hz；

W1——由接地线、线棒、定子基座形成的短路回路匝数，匝。

当回路闭合时，将产生很大的电流而导致接地线过热烧红。所以，是将线棒两端接地导致了接地线过热烧红的后果。

4 定子绕组不接地时产生的感应电压分析

4.1 定子线棒相关资料

(1) 环氧半导体层压板：1 mm×29.5 mm×1 384 mm；

(2) 半导体适形材 (上下层线棒间)：4 mm×29.5 mm×1 384 mm；

(3) 半导体适形材 (下层线棒)：2 mm×29.5 mm×1 384 mm；

(4) 槽楔厚度：4 mm；

(5) 线棒截面：宽29.8 mm，长(137.5-1-4-1-4)/2 ＝ 63.75 mm；

(6) 定子线棒槽数：576槽；

(7) 槽号编排：由内圆向外展开顺时针方向；

(8) 定子绕组形成的闭合空间截面：S2=1 384×(63.75×2+2)/100=1 792 cm2。

4.2 正常(未解开并头套)定子绕组中的感应电压

以W相下分支为例来进行分析，假设将定子沿轴向剖开，面向定子基座从右向左看铁芯剖面，上、下层定子线棒间形成的环形回路分布情况如表1所示。

表1 上、下层定子线棒间形成的环形回路分布

从表1中可以看出顺时针和逆时针的圈数均为48圈。如果整个分支中没有解开并头套或过桥，铁损试验时首末端间的感应电压理论上为0。4.3 解开并头套后绕组中的感应电压

如果解开了一些并头套(或过桥)，可能产生的最高电压的情况是在连续出现24圈顺时针走向的绕组(即上表中序号16项)两端断开时。下面对该24圈绕组两端的电压进行分析。

4.2.1 磁导率

在分析介质的导磁性能时，通常使用磁介质的相对磁导率μr对介质进行分类。对于非铁磁介质而言，顺磁介质μr>1；抗磁介质μr<1，但两者的μr都与1相差无几。例如：制作线棒的铜导体是抗磁介质，相对磁导率等于0.9999。在铁磁介质中，B与H的关系是非线性的磁滞回线，μr不是常量，与H有关，其数值远大于1。例如：铸铁相对磁导率为 200～400；硅钢片为 7 000～10 000；镍锌铁氧体为 10～1 000，坡莫合金为 20 000～200 000。如果取铜导体的相对磁导率为1，硅钢片为10 000，在外加相同的磁场强度下，则通过硅钢片的磁通密度是通过铜导体的10 000倍。

4.2.2 电压计算

对于该水电厂6号发电机，铁损试验中的外加磁场强度约为215～230 A/m，可在铁芯轭部产生约 10 000 G 的磁通密度 (根据B=μH)，但对于定子线棒及半导体适形材等材料的相对磁导率约等于1，所以根据B=μH，230 A/m的磁场强度在定子绕组形成的闭合空间中产生的磁通密度约为：

上式中：

μr——定子线棒及半导体适形材等材料的相对磁导率，约等于1；

μ0——真空磁导率4π×10-7N/A2；

H——磁场强度，A/m；

1T=104G。

则该24圈绕组两端的感应电压为：

上式中：

B——磁感应强度，G；

S2——定子绕组形成的闭合空间截面，cm2；

f——频率，Hz；

W2——绕组匝数，匝。

由此可知，在解开并头套后，整个定子绕组中任意2点间的电压都不会超过0.26 V。

5 错误接地的原因分析及调整

综上所述，此台发电机进行定子铁损试验时，在正常情况下定子绕组中任意2点间的电压都不会超过0.26 V；但如果将其某点接地，则另一端就可能会产生对地几十伏的电压。如果将绝缘不良的定子绕组三相短路接地，就会烧坏绕组绝缘不良处的定子铁芯；而将解开并头套的线棒采用错误的方法将两端接地也会产生环流使接地线过热，无法正常试验。因此，必须分析产生错误接地的原因，并根据不同的条件，采取不同的接地方式，以避免产生不良后果。

5.1 错误接地的原因

在高电压试验中，通常将被试设备的非被试绕组短路接地。如：在发电机定子绕组绝缘电阻试验、直流耐压及泄漏电流试验和交流耐压试验中，必须将非被试相短路接地；在变压器绕组的绝缘电阻试验、泄漏电流试验及介损试验中，必须将非被试绕组短路接地。所以，容易使试验人员形成思维定势，认为被试设备的非被试绕组就应该短路接地，没有深入理解各项试验中接地的目的。而在发电机定子的铁损试验中也要求定子绕组(无绝缘缺陷、没解开并头套时)三相短路接地，因此，试验人员在这种思维定势影响下，就盲目地将所有解开并头套的线棒两端接了地。

5.2 调整接地方式

对这台处理缺陷后解开了线棒并头套的发电机进行定子铁损试验时，接地方式应做相应调整。

规程规定的接地方式：发电机定子铁损试验中，在发电机转子抽出后，将发电机定子绕组三相短路接地(如定子绕组有尚未消除的接地点时，则绕组只须短路，不可接地，以免多点接地使铁芯烧坏)。

调整后接地方式：将所有解开并头套的线棒下端接地，线棒上端(距地面高度2.5 m以上且在试验中定子铁芯上部不允许有人)和三相绕组引线出口处(位于定子基座外侧，离地面高度2 m左右)悬空，并在三相绕组引线出口处设置围栏。

1 李建明，朱  康．高压电气设备试验方法(第2版)[M]．北京：中国电力出版社，2001.

2 陈化钢．电力设备预防性试验实用技术问答[M]．北京：中国水利水电出版社，2009.

3 王益民，王津生，张伯礼，等．磁场强度和磁感应强度  的单位及相互关系[J]．天津中医学院学报，1998，17(4)：43．