锦屏二级水电站7#机组发电机定子绕组一点接地故障分析及处理

孙 彬，邱小耕，李佳佳

(四川二滩国际工程咨询有限责任公司，四川成都 611130)

1 概述

锦屏二级水电站发电机由天津阿尔斯通公司设计与制造，发电机定子绕组由单匝线棒组成，6支路并联，“Y”形连接，主引出线从-Y轴方向引出。中性点引出线从第二象限引出，与+Y轴成50°角。中性点引出线分为2组中性点，一组为U、V、W 相的1、2、3 支路，另一组为 U、V、W 相的4、5、6支路，2组中性点引出线联接在一起并采用电力电缆引出至接地变压器接地。发电机注入式定子接地保护可单独实现发电机100%定子接地保护，与基波零序电压、三次谐波电压定子接地保护一样，为RCS-985发电机全套保护中的一个组成部分。

2 定子一点接地故障位置分析

电厂运行人员在2015年3月20日14时50分巡视7#机组时闻到刺激性绝缘异味，随即发现7#机组下齿压板温度高达71．5℃，平均温度为31．2℃，最终于2015年3月20日15时2分故障停机。事故发生后，首先对现场7#机组故障录波装置的故障波形数据进行分析，U20(20Hz零序电压)和I20(20Hz零序电流)波形发生异常，U20一个周波内有效值达到1．182V(二次侧)，I20一个周波内有效值瞬时达到0．01mA(二次侧)，故障发生前的其他相关数据见表1。通过对点故障录波数据进行初步分析得知:A、B两相电压升高，C相电压降低，属典型非直接接地系统单相接地故障特征，发电机C相发生了单相接地故障。

表1 故障发生前相关检测数据表

由表1可以看出:C相电压已经严重不平衡，机端零序电压大于中性点零序电压。由于锦屏二级水电站发电机中性点是经接地变方式接地的，发电机正常运行时的机端三次谐波电压US3与中性点三次谐波电压的比值为:(机端总电纳)(其中)(中性点总电纳)。式中为发电机每相对地电容;为机端每相外部对地电容;L为中性点接地变电抗)。只有当发电机未并列运行且中性点不接地变时，恒有。因此，中性点的三次谐波电压总是大于机端三次谐波电压的。故障发生前的相关检测数据见表1，发电机机端零序电压与发电机中性点零序电压的比值为1．247。结合故障发生前C相电压异常可以判断发电机C相绕组靠近中性点，可能存在接地故障(图1)。通过相关计算，首先判断接地故障类别:

(1)接地类别判断。

式中 100V为发电机出口PT开口三角形电压，故可确定故障点应位于距中性点18%附近的位置。

(2)接地过渡电阻Rf及接地部位的计算。

图1 发电机C相接地故障示意图

由于锦屏二级水电站发电机定子100%接地采用RCS-985U低频注入电源和RCS-985保护装置两部分共同实现，而RCS-985U为低频20Hz注入电源。当发电机定子绕组的对地绝缘正常时，注入到定子绕组的低频电流主要是流过定子绕组的对地电容电流;当对地绝缘受到破坏、出现接地故障时，注入的电流将流过接地故障点而出现一部分电阻性电流。当保护装置检测到注入的低频电压、电流时，通过导纳法可以准确计算出接地故障的过渡电阻值。所计算的电阻值与定子绕组的接地故障位置无关，但其可以反映发电机100%的定子绕组单相接地。通过对现场实际绕组进行检查得知，故障发生部位在180槽下侧上层线棒靠近齿压板区域。从绕组击穿部位看，此次接地故障应为非金属接地故障，是因电弧发生接地故障。现场对绕组三相绝缘电阻进行检测得知，A、B相正常，C相无法加电压且阻值小于10kΩ。

经现场检查发现7#机组发电机绕组C相第180槽上层定子线棒绝缘被击穿，发生接地故障。发电机定子槽数为432槽，每相由6个分支绕组并联，每个分支绕组包含24匝线圈，经核对发电机定子绕组图，第180槽的上层线棒处于C相第2分支的第5．5匝位置(以发电机中性点为起点)，因此，故障点，与理论计算值基本吻合。

3 故障产生原因分析

通过对现场实际发生故障部位进行观察，发现该故障部位处于定子直线段下侧靠近齿压板部位。值得注意的是:该线棒下端绝缘盒灌注胶表面有开裂的痕迹，应是线棒内部聚集高温，然后在线棒绝缘最薄弱区域向外击穿，进而导致对齿压板放电，发生定子一点接地故障。通过对定子绕组损坏线棒外观情况、解剖后变形情况进行详细检查、分析，我们得出了以下结论:

(1)大型发电机定子线棒在绝缘层或绝缘层与股线之间可能存在气隙或杂质。运行过程中，在电、热和机械力的联合作用下也会直接或间接地导致绝缘劣化，使得绝缘层间等产生新的气隙。由于气隙和固体绝缘的介电系数不同，这种由气隙(杂质)和绝缘组成夹层介质的电场分布是不均匀的，在电场作用下，当工作电压达到气隙起始放电电压时便会产生局部放电。局部放电起始电压与绝缘材料介电常数和气隙的厚度密切相关。

(2)由于厂家现场工艺要求需对线棒直线段填充半导体硅胶低阻带，以保证低阻带和线棒本身的防晕层良好接触，待半导体硅胶固化后，确保线棒与铁芯等电位，防止电晕的产生。值得注意的一点是:低阻带在上、下铁芯端部截止部位的位置高出铁芯两端各15mm，此部分由于未受到铁芯的挤压，固化后仍可能存在间隙并在失去电接触后而产生容性放电，从而导致线棒表面的腐蚀和损伤;另外，发电机下导、推力轴承油槽会有汽化的透平油雾存在，在夹杂自冷却气流带动的杂质、灰尘的情况下，受污染的油雾被粘在线棒绝缘层表面液化，对绕组表层绝缘造成缓慢破坏。

(3)线棒在下线过程中可能由于人为因素对该根线棒造成外绝缘损伤，以及机组运行过程中定子绕组温度的影响，最终造成绝缘层无法承受正常运行电压而导致由内向外的绝缘层被击穿。

4 现场采取的处理措施

拆除磁极;用棉布对177～183号线棒区域上下层之间的间隙进行防护，防止尘渣遗留在下层线棒表面;拆除上下端绝缘盒并剔除绝缘盒灌注材料;剔除槽楔，去掉波纹板、保护垫条、滑动垫条和层间垫条;拆掉线棒端部的绑扎带，取出该线棒左右两边的端部斜边垫块和聚酯毡，拔出线棒;打磨181号线棒下端部R部位的发黑部分;对新线棒进行绝缘电阻和耐压试验，然后采用与安装时相同的工艺进行定子绕组安装，涂刷DK222(面漆)并干燥。重新进行定子绕组预防性直流耐压50kV试验、交流耐压30kV试验，试验合格后可具备开机并网条件。

5 结语

发电机定子一点接地是水电站机组比较常见的故障之一。定子下线过程中，一个小的失误都可能导致类似故障的发生。现场监理人员在机组安装过程中，通过深刻理解制造厂提出的技术要求、设备性能，同时对工艺执行过程进行严格管控和把关，将现场施工阶段可能导致类似故障发生的各种因素彻底消除，就能够为机组长期安全稳定运行奠定良好的基础。