发电厂汽轮发电机定子接地故障研究

陈 颖

湖北华电襄阳发电有限公司

发电厂汽轮发电机定子接地故障研究

陈 颖

湖北华电襄阳发电有限公司

本文从发电机定子接地故障的危害性出发，分析了发电机定子绕组接地原因，对故障现场排查、分析判断及事故处理进行了探讨，并结合实际案例予以说明。

发电厂；汽轮发电机；定子接地故障；处理

前言

发电厂汽轮发电机定子主要由定子机座、定子铁心、定子绕组以及冷却器、出线盒等部分组成，发电机运行时，定子机座承受着发电机整体的重量以及巨大的力矩作用，同时，定子绕组由于高电压高电流以及不停旋转的磁场作用。其呈现出椭圆振型，尤其是定子绕组端部承受着巨大的力矩作用，故由于定子绕组端部引发的定子绕组接地事故较易发生。

1 发电机定子接地故障的危害性

发电机定子绕组对地(铁芯)绝缘的损坏就可能会发生单相接地故障，这是定子绕组最常见的电气故障。定子绕组单相接地故障对发电机的危害主要表现在定子铁芯的烧伤和接地故障扩大为相间或匝间短路。

铁芯烧伤由故障点电流If和故障持续时间t决定，If2越大，铁芯损伤越严重。对于没有伤及铁芯的定子绕组绝缘损坏，修复工作较简单，停机时间也较短；一旦烧及铁芯，由于大型发电机组定子铁芯结构复杂，修复困难，停机时间就较长，如果说定子绕组绝缘损坏和单相接地故障是难免的，但由此而殃及定子铁芯则是完全应该避免的，为此应设法减小定子绕组单相接地电流If，同时缩短故障的持续时间。

定子绕组绝缘一点损坏(单相接地)时故障电流仅数安或数十安，故障处电弧时断时续，将产生间歇性弧光过电压，由此而引发多点绝缘损坏，轻微的单相接地故障扩展为灾难性的相间或匝间短路，这也是必须避免发生的。

2 发电机定子绕组接地原因分析

发电机绝缘有较高的耐电压强度，并能承受一定过电压的性能，在工作电压和工作温度下，绝缘介质损耗因数tanδ小且稳定，具有一定的去游离电压、绝缘寿命应保证在25~30a。造成发电机定子接地的原因主要有发电机内部因素的原因及外部因素的原因。以下统计了常见的几点发电机定子绕组可能造成接地故障的原因。

2.1 定子绕组发生接地故障的内部原因

(1)定子绕组的绝缘材料、铜导体和定子铁芯由于膨胀系数不同，在绕组加热和冷却过程中，不可避免地产生较大的机械应力。长时间作用使得绝缘失去弹性而产生裂纹，甚至在运行电压下绝缘击穿。另外，发电机绝缘在工作温度下、浸渍漆和粘合剂不应融化流出，否则将导致绝缘迅速老化。(2)发电机绝缘在制造过程中和运行时受到各种机械力的作用，尤其在高速运转时受到的机械应力更大，受到的机械应力及危害分析如下：其一，端部线圈在运行时和突然短路时，产生电动力使端部线圈固定松动，长时间作用磨坏绝缘。其二，幅向交变电动力，是定子绕组的横向磁通使导体受到的力。另外，在额定电流下，汽轮发电机单根线棒上也会受到几百公斤力的作用，并以每秒100次的频率打击着绝缘，在短路时，该力达到数百吨。上述交变电动力作用结果，将使绝缘断裂或磨损，在运行中可能使绝缘击穿。(3)发电机运行产生电晕放电时，又有臭氧和各种氧化氮产生，前者是强烈的氧化剂，侵蚀有机绝缘材料；后者和水形成硝酸或亚硝酸，腐蚀金属材料，使纤维材料变脆。所以，发电机绝缘应防止产生电晕放电并采用防电晕材料。(4)发电机内定子绕组绝缘被异物磨损或老化等造成绝缘水平下降时，可能造成定子接地故障。

2.2 定子绕组发生接地故障的外部原因：

运行中的发电机定子接地时，发变组保护装置会发出“定子接地”报警信号，发电机出线采用封闭母线后，由外界因素引起接地的几率大大减少了，但是其他一些因素也会造成发电机定子接地，例如：(1)发电机漏水及冷却水导电率严重超标时会引起接地报警。(2)与发电机定子绕组相连的一次部分设备上发生单相接地时引起接地故障。如发电机出线主封母支持绝缘子受潮绝缘下降、主变低压侧升高座内因橡胶密封升缩套破裂渗水导致升高座内积水瓷瓶绝缘下降。(3)发电机电压互感器开口三角形绕组的高压侧熔断器熔断，开口三角电压线松动、接触不良，电压互感器开口三角侧一次插头或二次插头接触不良等，也会造成发电机定子接地报警，这种不是由于真正接地而引起保护报警的现象通常称为“假接地”。(4)发电机风道及绕组上的污垢和尘土造成散热条件脏污，引起风道堵塞、绕组过热，导致发电机温升过高、过快，使绕组绝缘迅速恶化。(5)发电机冷却器进水管堵塞，造成冷却水供应不足，绕组过热、绝缘受损。(6)发电机长期过负荷运行。(7)在发电机烘干驱潮时，温度过高。

3 故障现场排查、分析判断及事故处理

当发电机定子绕组及其一次回路发生一相接地时，接地点将流过对地电容电流。该电容电流可能产生电弧，如果电弧是持续性的，同时又发生在发电机内部，就可能损坏发电机定子铁芯，铁芯的损坏程度与此时对地电容电流的大小有关。发电机运行中保护装置发出“定子接地”报警信号后，运行人员应立即测量发电机相关二次电压并通知检修人员立即到发变组保护屏、PT二次端子箱等地分别测量发电机二次电压，进行分析，以判断发电机定子是否真正发生接地故障。

当定子绕组回路发生一相金属性接地时，接地相对地电压为零，非接地相电压升高至线电压，各线电压不变且平衡。如果接地点在定子绕组中的某一部分或者是发电机出口一相非金属性接地以及主变低压绕组内部接地时，接地相对地电压不会降至零，不接地相对地电压虽然升高，但也低于线电压，出口PT开口三角侧电压也小于100V，接地电阻越大或越靠近中性点，其值越小。

当出口PT高压保险熔断一相或两相时，其开口三角绕组的电压也要上升，可能发出接地报警信号。例如：A相高压保险熔断，定子电压的UCA、UAB降低，UBC不变，仍为线电压，UB0、UC0仍接近相电压，UA0则明显降低，开口三角侧电压电压接近100/3V，此种情况即为假接地。

判断真假接地的关键在于：真接地时，接地相对地电压降低，而非接地相对地电压升高，且线电压彼此平衡。假接地时，不会有相对地电压升高的现象，线电压也不平衡。

4 案例分析

4.1 故障概况

2014 年我国南部某电厂2#发变组发出发电机定子接地保护动作信号及外部保护连跳信号，随即2#发电机与系统解列。经检查，2#发电机跳机前发电机定子线棒温度、进出水温度、发电机内冷水出水温度及压力、发电机内氢压等运行参数正常，无明显发展过程。但从发电机端部振动在线监测装置所测的27#槽振动值来看，2#发电机跳机前，国标要求关注的倍频振动幅值最高值在130μm 左右且变化趋势较平缓，远低于国标要求的250μm，但工频振动幅值在跳机前一个小时内最高点达到了500μm，通频更是在当天较长一段时间维持在了1000μm。经过对2#发电机故障后检查主绝缘、直流电阻值发现，B 相直流电阻与上一次检修测量值比较变大102%，而A相、C 相直流电阻无异常。拆开发电机励端内外端盖，发现定子绕组励端11点钟方向第27 槽上层线棒的水电接线盒烧毁，线棒的空心导线已被溶解的铜质堵塞，相邻线棒的手包绝缘被熏黑。由于电厂不具备处理故障和计算分析的能力，相关专家和生产厂技术人员迅速前往现场进行处理。

4.2 解决方案及处理方法

经现场检查，专家组制定了以下的解决方案，并及时进行了处理。

(1)拆定子鼻端绝缘，气焊拆上下层连接股线。由于损坏的是下层线棒水盒，并且根据分析讨论，需拆除机组全部定子绕组及端部结构件。

(2)退定子槽楔、拆上层线棒。

(3)拆除定子槽部层间适形材料、拆下层线棒。

(4)定子线棒清理、修复、试验。更换烧毁的水电连接盒并检查全部发电机线棒，对所有线棒进行耐压试验(执行标准JB /T 6204—2002)与绕组冷态直流电阻值测试试验，经检验合格的线棒可以继续使用。

(5)回装定子下层线棒，端部绑扎，并预装层间适形胀管。

(6)回装定子上层线棒，端部绑扎，并完成相间绑扎。

(7)完成定子端部鞍块、拉紧楔等端部结构件的安装配做。

(8)定子端部充胶加热，固化冷却。

(9)安装定子线棒鼻端连接股线，焊鼻端连接股线及探伤。

(10)安装定子端部绝缘引水管，进行定子水路水压试验(执行标准JB /T 6228—2005)及热水流试验。

(11)定子鼻端包绝缘。

(12)定子端部安装绑环及内撑环。

(13)定子槽部打槽楔。

(14)定子铁损试验、验收试验。

(15)定子端部清理喷漆。

经过及时处理，解决了电机定子接地故障。

5 结束语

总而言之，发电机作为发电厂的主要设备，在日常生产中起着至关重要的作用，其健康运行与否直接关系到发电厂能否经济运行，因此，对发电机定子接地故障进行查找及处理有着非常重要的意义。

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