大型水轮发电机定子接地故障分析及处理

马志忠，刘凯兵

(1.三峡机电工程技术有限公司, 四川 成都 610040；2.上海福伊特水电设备有限公司，上海 200240)

在水力发电厂，发电机定子绕组接地故障时有发生[1]。某大型水电站左、右岸电站各装9台单机容量为770 MW的水轮发电机组，是已建成的世界第3大水电站[2-3]。其中左岸电站某台机组于2017年12月A、B套定子接地保护动作跳闸停机，发生了定子接地故障。本文详细分析了此次故障原因及处理措施。

1 故障点查找

故障发生后，某电厂进行了初步排查，并立即向国调申请将该机组转检修，并组织技术人员对接地故障点进行排查。

初步排查后决定，断开该发电机B相出口、中性点软连接，此时B相绕组的8个分支在出口端是相连的，在中性点处是分开的。测量发电机B相定子绕组电压，发现其不能升高，确定接地故障点在发电机B相定子绕组内。

在发电机B 相出口端与地之间施加小电流，该电流通过故障接地点形成回路，逐一测量各分支的电流，结果发现B相第7分支有电流通过，而其他分支无电流通过，因此确定故障接地点在第7分支。然后逐一测量第7分支的各线棒电流，发现第499槽上层线棒下端有电流而上端无电流，因此确定故障点在第499槽上层线棒槽内。

将定子第499槽线棒周围的上机架盖板、转子上下挡风板、定子围屏拆除，拔出3个磁极，检查第499槽上层线棒。在退第第499槽槽楔过程中发现定子铁心窜片，并损伤第499槽上层线棒，该部位的铁心断片长度为20～30 mm，如图1所示。第499槽上层线棒拔出后发现直线段下端存在一处明显划伤，如图2所示。

查阅了相关岁修记录后，发现该处线棒附近对应的定子铁心拉紧螺杆自安装以来从未进行过处理。

图1 故障点铁心窜片图

图2 线棒划伤部位图

检查还发现，定子铁心下端阶梯状铁心松动，主要表现为第2、3、4阶梯段超出1阶梯段部位。现场使用了0.10 mm塞尺检查松动深度，发现约75%的阶梯片没有松动的迹象，10%的阶梯片略微松动，15% 的阶梯片松动情况较严重。而且发现松动部位的端部粘胶片均存在散开的现象。松动的阶梯片如图3所示。

图3 松动的阶梯片图

2 故障原因分析

根据以上分析发现，定子端部铁心发生松动，硅钢片在定转子之间磁拉力作用下进入定子线槽切割定子线棒是引起定子接地故障的直接原因。而引起定子端部铁心松动的原因有以下几个方面[4-5]。

1)设计的原因。一是定子端部第2段至第4段阶梯片过长，压紧效果不好，容易造成铁心松动，定子端部阶梯片设计如图4所示。二是由于压指约只有一半长度位于机座上，另一半为悬臂梁结构。在拧紧压紧螺栓使铁心压紧时，必然是轭部受力较大，齿部受力较小。对于硅钢片的任一齿而言，在齿端散张力的作用下越靠近齿根压力越大，越靠近齿端压力越小。因此定子端部铁心在结构上看不易压紧、易松动，定子端部铁心结构如图5所示。

图4 定子端部阶梯片设计图

图5 定子端部铁心的结构图

2)制造的原因。铁心端部阶梯冲片胶粘不合格，是本机组铁心松动的主要原因。铁心端部阶梯片在粘接过程中有以下不足：一是所使用的粘接剂不足，且操作者培训不到位，缺乏粘胶的经验；二是没有严格按照规定程序操作，固化过程中压紧不足；三是没有按照程序检查，检验不严格，仅通过目视检查，未能及时发现问题；四是没有充分考虑粘接环境对粘度和固化时间的影响。

3)安装的原因。安装过程中存在以下不足：一是鸽尾筋直线度、半径、扭斜及弦距的偏差存在不满足图纸要求的情况，不利于铁心压紧；二是在叠装阶梯片的时候，有的阶梯片被弯折，使得粘接层可能有松动；三是铁心叠片压紧时预紧力可能不足，导致铁心没有压实。

此外，整个机座高度不可能完全一致，再加上每一个压指的高度也不可能完全一致，造成相邻压指之间高差、压指整圆高差、压指内外侧高差等存在不满足图纸要求的情况，最终导致较高的压指受力较大，较低的压指受力较小。这样容易造成压指上的硅钢片受力不均，不易完全压紧，造成铁心松动。

4)运行的原因。机组运行时在气隙中存在旋转磁场，该磁场对定子铁心产生强大的径向旋转交变磁拉力[6]。在机组长期大容量运行时，铁心端部温度长期偏高，片间绝缘层会干缩，再加上阶梯片粘胶不足，会使铁心压紧度不够、齿部振动幅度加大，铁心齿根部机械疲劳，造成定子铁心松动，再加上硅钢片处在径向磁拉力的作用下，因此硅钢片将沿径向产生移动，进入定子线槽，慢慢向外伸长，划伤线棒绝缘，使线棒的绝缘性能越来越差，最终使 499 号定子上层线棒绝缘层击穿，造成定子接地故障。

3 故障处理

对于此次故障，电厂先后进行了临时处理和永久处理。

3.1 临时处理

根据以上分析，结合现场工作条件，临时处理方案如下。

1)设备拆除。拆除基坑盖板及与之对应的上机架盖板。拆除周向对称的两个位置的8个磁极。

2)清除。定子铁心和转子各部位在防护的情况下，切除长压指内径侧挡风板围屏固定块，清除压指上残留的焊缝，并保持表面平整；去除定子铁心上下端部阶梯片表面的绝缘漆；去除长短压指内径侧及底部绝缘漆，不得损伤定子冲片；将硅钢片的突出部分进行磨平和锉平。

3)清扫。使用特定的工具、清洁剂对端部阶梯片进行清扫。

4)定子端部阶梯片粘胶。现场使用的是粘度较低的胶水EG882环氧树脂，按照一定比例配胶后，进行涂刷、填充、装压、加温固化等工序，最后检查并进行铁损试验。

5)安装定子端部阶梯片及压指支撑，并将定子铁心的压紧螺栓进行重新紧固。

6)更换故障线棒。按定子线棒专用下线工艺嵌线。

7)回装并进行调试。

机组故障处理后，经过了24 h的运行。经检查，发电机各项指标良好。这种处理方法，不仅使得机组可以继续发电产生效益，同时为永久处理方案的细节研究提供了充足的准备时间。

3.2 永久处理

为了避免接地故障再次发生，永久消除隐患，决定对机组进行更换铁心和线棒。简单讲就是拆除原有线棒和铁心，并按照制造厂家的最新技术文件重新装焊下压指、叠装定子铁心、安装绕组。永久处理方案关键流程如图6所示。

图6 更换定子铁心和线棒关键流程图

此次更换铁心和线棒，在机组的设计、制造和安装方面，做了以下改进。

1)对端部阶梯片设计进行了修改，台阶进行了优化。如图7所示，阶梯数由7段增加至8段，阶梯的轴向总高度由46 mm减至45 mm。所有的阶梯的轴向和径向的尺寸都是5 mm。每个阶梯段所需要粘接的铁心冲片数量由原先的6片增加为10片(即所有冲片都需粘接)。

阶梯片粘结采用了厂家提供的改进的粘接工艺和检查试验程序，确保了粘接效果。

图7 端部阶梯片前后对比图

2)压指尺寸进行了重新设计。定子铁心端部阶梯径向长度缩短，短压指长度相应增加14 mm，长压指尺寸不变，以保证铁心压紧效果不变。下压指共576根，其中384根短压指由之前的526 mm改为540 mm，压指到气隙的距离由54 mm减少至40 mm。

3)下压指采用预安装调平方法。把不合格的下压指进行再加工处理，尽量避免用垫片调平的方法。压指和阶梯片安装效果如图8所示。

图8 压指和阶梯片安装效果图

4)为了以后检修时，方便铁心压紧系统的拆装，上下端所有螺母均采用非金属锁紧螺母。

5)由于之前发现铁心拉紧螺杆绝缘套管内有积水现象，导致铁心拉紧螺杆绝缘螺杆的绝缘电阻下降，因此优化了下部绝缘垫圈的结构，增加了排水槽。

6)定子铁心端部阶梯径向长度缩短，定子围屏从设计和材料上也做了相应的更改。

7)定子线棒绝缘进行了改善，采用防晕结构与主绝缘一次成型技术。同时要求新线棒必须经过型式试验验证。

8)在处理中，将原来材质为低合金钢Q345的上压板更换为不锈钢06Cr19Ni10材质，但其屈服强度相同，但更耐腐蚀、耐温升、抗磁拉力。

9)在冲片制作的过程中严格控制原料、操作人员水平、制作工艺、测试要求以及过程监控等环节。

机组更换铁心和线棒后，经过了一个汛期的运行，发现无论是制造、安装和运行，各方面数据均达到了“优质机组”的要求，故障处理比较成功。

4 结语与建议

故障处理后机组的运行状况良好，充分验证了此次故障处理的方案是可行的、有效的，故决定在2019～2020岁修期对电厂另1台机组(与故障机组出自同一生产厂家)进行定子线棒和铁心更换，彻底消除定子接地的安全隐患。

因定子铁心发生松动而引发的定子接地故障是发电机的一种常见的接地故障，也是后果极为严重的故障。因此如何预防或减少类似故障的发生显得尤为重要，为此提出以下几点建议。

1)端部阶梯设计要充分考虑机组安装和运行情况，做到设计合理且端部阶梯片所有冲片都应该进行粘接，以提高其整体性和刚度。端部阶梯片粘接要采用改进的定子铁心端部阶梯片粘接工艺和完善的质量检查流程。

2)在下压指安装时，下压指整圆高程差、相邻两块高程差、内圆与外圆的高度差、下压指中心与冲片齿中心的相对位置和压指齿端与冲片齿端径向距离都要符合设计要求。

3)为了避免阶梯片粘接层松动，在叠装阶梯片的时候，每6人一组，分上中下，保保证阶梯片处于水平状态从上到下安装，不得弯折和“暴力”安装。此外，定子铁心应分段压紧叠装，铁心叠至设计高度时各预压一次，预压紧力要符合设计要求。

4)每次机组检修时应全面检查定子铁心是否有异常情况，特别应检查铁心压紧螺栓是否松动，是否有积水，各螺栓压紧力矩是否恒定。

5)定子铁心试验是检查定子铁心故障的重要手段。建议将定子铁心试验作为大修的必做试验项目。此外，在机组小修时建议用工业内窥镜检查定子铁心特别是端部铁心，以便尽早发现异常情况。