电机定子槽内线圈接地故障快速查找方法

张 祺

（东方电气集团东方电机有限公司，四川德阳 618000）

对于大型发电机设备而言，破坏性最大也是最危险的突发故障是定子绕组接地。定子绕组接地故障多是由于定子绕组绝缘在机组运行过程中长期受到电、热、机械等多种因素的影响，绝缘性能被长期侵蚀而失效，最终导致定子线棒主绝缘失效。根据相关标准规定，由于发电机组停机大修过程中的电气试验指标，比运行时的电压高，定子绕组主绝缘击穿多是在验收试验中出现，偶有电厂机组定子绕组接地故障出现在运行过程中，主要是由于定子绕组机械磨损、绝缘缺陷、水路堵塞或者漏水、冷却水结冻、金属异物损伤、导电性污染物质引起绝缘烧蚀或长期运行绝缘水平显著降低引起。

1 同步发电机定子槽内下层绕组接地点查找

同步发电机发生定子接地故障时，首要工作是尽快查明并定位故障点，才能根据具体故障情况分析得出维修方案。其中，定子线圈槽口、定子线圈端部等肉眼可见部位发生接地故障时，很容易辨识；当发生铁心槽内定子线圈接地故障，特别是下层线圈，在未见线圈击穿过程中产生的光、烟尘等特殊产物时，很难肉眼辨别出具体的接地故障点，此时就需要通过各种辅助试验手段来精确查找接地故障点。业内常用的精确查找接地故障点位置的方法如下。

1.1 直流耐压法

直流耐压法就是使用常用的直流高压发生器对定子绕组发生接地故障的相位持续施加直流高压，直至发生波动或跳闸，如图1所示。同时仔细监听定子绕组的放电声音并观察是否有闪络发光点。

图1 定子绕组直流耐压示意图

由于定子绕组发生接地故障后，仍可能会存在部分残余对地绝缘，具体表现在用500V以上兆欧表测试绝缘电阻时，测试值为0，而用100V以下兆欧表测试时却有1MΩ以上。因此可以采用直流高压发生器对绕组故障相施加高压的方法确定故障点，但该方法对于大容量电机而言，由于电机尺寸较大，查找故障点存在观察障碍，因此仅适用于小容量、小尺寸的电机。

1.2 直流冲击试验法

直流冲击试验法与直流耐压法具有相似之处，使用的试验设备完全相同，唯一区别是高压接至电机绕组的接法不同，如图2所示。

图2 定子绕组直流冲击试验示意图

试验时，先将高压电缆一端固定在电机正常相的绕组出线，再将高压电缆的另一端固定在手持式高压绝缘棒上。使用直流高压发生器对电机正常相绕组施加一定数值的直流高压，然后人为移动高压绝缘棒，让高压电缆与故障相的出线接触。使得施加于正常相的直流高压瞬时对故障相绝缘进行冲击，仔细监听定子绕组的放电声音并观察是否有闪络发光点。

该方法相比直流耐压法，由于其施加的直流高压数值较高，在将高压转移到故障相时，可以比较明显地听到放电声音。同时由于是直流，且电流很小，对铁心的损害可以忽略。但是，对于电机定子槽内下层线圈接地故障的查找，特别是卧式汽轮发电机（图3）存在困难。观察人员在定子两端，不易观察到故障点的闪络发光点，只能通过放电声辨别大致位置。对于立式机组，如混流式水轮发电机（图4），采用此法查找接地故障点时，观察人员可以在铁心内膛移动，比较容易观察到故障点的闪络发光点，因此此法多用于水轮发电机接地故障点查找。

图3 卧式汽轮发电机结构示意图

图4 立式水轮发电机结构示意图

1.3 电流烧蚀法

电流烧蚀法的原理是在电机绕组接地故障相的出线与机座铁心之间接一个40～100A的低压大电流交流电源，火线接线圈绕组，零线接机座。为避免电源跳闸，火线上常串接一个灯泡作为保护电阻，如图5所示。当接通电源后，大电流流经电机定子绕组接地故障点，可对接地故障点的绝缘进行电流烧蚀，同时发出可见光点、灰烟以及有机材料的焦糊味。由于没有高压，观测人员只需做适当绝缘防护，即可进入膛内近距离观测。

图5 电流烧蚀法线路示意图

电流烧蚀法使用设备简单且可快速完成线路布置，对于故障点接地电阻非常小的情况，可以快速查找；但对于故障点仍残余接地电阻，需要施加更高电流并经过一段时间烧蚀后，才能找出具体位置，若是保护不当，容易对铁心造成损伤。

1.4 分段查找法

分段查找法就是针对故障相内的每一根线圈进行排除，通过查看绕组线圈电路连接图，找出对应故障相的每根线圈，打开线圈两端的并头绝缘，断开并头电路连接处。使得故障相内线圈成为单根线圈，并逐个测试断开端部电路连接后的每根线圈的绝缘电阻，即可找出发生接地故障的线圈，如图6所示。

图6 分段查找法结构示意图

分段查找法最主要的工作也是最大的工作量是打开线圈端部，因此不属于快速查找的范畴，但是相比其他施加高压或者大电流方法，它对铁心无损害，最为保守安全。

2 具体案例

2019年，西北某电厂一台600MW汽轮发电机在大修前进行工频交流耐压试验过程中，B相发生接地故障，由于大修周期紧张，随即开展故障点的快速查找。事件发生后立即采用直流耐压法查找故障点，电压升至约1600V时设备过流保护跳闸，定子两端的观测人员并未观测到任何声、光及气味等现象。随即改用直流冲击法，对A相施加22kV直流电压后，试验人员使用手持绝缘棒将旁边正常相直流高压引至接地相，定子膛内瞬间发出闪络放电声，随即判定定子绕组槽内接地。但由于该定子长度超过6m，定子两端的观测人员因距离远无法精确定位。

采用2500V兆欧表测量该相绝缘电阻值为0，采用500V兆欧表测试电阻值为103Ω，换用25V电阻表测试值为1.4kΩ。于是采用电流烧蚀法查找位置，考虑到电流烧蚀法施加的大电流可能会损伤铁心，电流只施加到25A。1min时定子两端的观测人员并未观测到任何现象，10min后依旧如此，为预防铁心损伤，试验终止。观测人员进入定子膛内后，能闻到轻微有机物烧蚀的糊味，但无法准确定位。

至此，为快速定位，在电流烧蚀法的基础上，通过改进观测手段，创新改进出一种新的快速定位接地故障点的方法——远红外热成像法。

3 远红外热成像法

远红外热成像法的基本原理与电流烧蚀法一致，改变了观测手段，即使用低压小电流交流电源（220V，25A）施加在定子绕组出线与机座铁心之间。一段时间后，采用远红外热成像仪对定子沿长度方向进行径向360°温度场扫描，通过扫描结果，找出与平均温度相差5℃以上的温度点，即为线圈接地位置，如图7所示。

图7 定子铁心红外温度扫描

使用远红外热成像法找出具体接地故障点后，断开该故障点所在线圈两端的并头，使其与主电路断开，重新检测该故障相绕组的绝缘电阻，绝缘电阻恢复正常，再次检验了该方法的稳定可靠。

4 结束语

本文介绍了4种实际工程应用较广的电机定子绕组接地故障点查找方法，以西北某电厂600MW汽轮发电机定子为案例，通过分析总结，创新优化出一种快速定位同步发电机定子槽内下层线圈接地故障点的远红外热成像方法。通过甩开故障点线圈后的性能验证结果表明：远红外热成像快速定位方法具有设备简便、耗时短、定位精准、对铁心无损伤等优点，可在同步发电机定子上推广应用，可靠性高。