某电厂水轮发电机定子相间短路故障分析与处理

陈东君

（广东能源集团（云浮）蓄能发电有限公司，广东 新兴 527400）

0 前言

发电机定子相间短路故障作为发电机本体故障中发生频率较高的故障类型，其发生时往往伴随着极高的短路电流，会对发电机定子造成不同程度的损坏，甚至可能损坏发电机转子，非常值得我们关注。

2019 年9 月8 日17：10：37，某电厂1 号发电机本体B、C 相故障，1 号发电机差动保护动作跳开1 号发电机出口501 开关和灭磁开关，甩负荷36 MW。最终查明在靠近引线定子的R 区域，B 相和相邻的C 相各有一根上层线棒端部渐开线出现电磁线烧熔现象。

1 主接线及发电机情况介绍

该电厂主接线为两机一变扩大单元接线，发电机机端电压10.5 kV，机端、主变压器高、低压侧均配有断路器，发电机保护和主变压器保护独立配置，并配有10.5 kV 母线保护，发电机差动保护与10.5 kV母线差动保护的保护范围交叉，无死区。

1 号发电机为东方电机有限公司二十世纪七十年代产品，于2013 年进行了增容改造，由36 MW 增容至42 MW，增容后发电机型号为SF42-40/7250，之后每年开展一次小修，故障发生之前的小修时间为2018 年11 月，小修之后一直运行良好，2019 年7 月发生过因冷却水管漏水造成的转子一点接地故障。

2 保护动作情况

该电厂1 号发电机保护为国电南京自动化股份有限公司DGT801C 型微机保护，1 号发电机出口501 开关操作箱为国电南京自动化股份有限公司LY-31 三相单跳操作箱。故障发生时，1 号发电机差动保护出口信号指示灯亮，1 号发电机差动保护出口跳闸指示灯亮，1 号发电机出口501 开关操作箱保护跳闸指示灯亮；1 号发电机保护报“发电机差动保护动作”报文，相别为B、C 相；计算机监控系统报“1 号发电机差动保护动作”、“1 号发电机保护跳闸动作”“1 号发电机出口501 开关跳闸”、“1 号发电机灭磁开关跳闸”等报文。

除1 号发电机保护动作，无其他保护装置动作。

3 保护动作行为分析

1 号发电机差动保护定值为：启动电流0.905 A，拐点电流3.02 A，速断电流倍数5 倍（即3.77 A×5=18.85 A），额定电流3.77 A，比率差动系数0.3。

1 号发电机差动保护动作结果为：出口跳1 号发电机出口501 开关和灭磁开关。

根据故障录波器录波图1，可见1 号发电机两侧（中性点与机端）电流波形呈现出：A 相两侧波形方向相同，B、C 相两侧波形方向相反，相位差180°。

图1 故障录波图-电流

保护动作瞬间电流有效值情况如下：

机端侧电流IA=10.241 A，IB=30.685 A，IC=40.213 A。

中性点侧电流IA=10.282 A，IB=32.100 A，IC=22.034 A。

则A 相差流为0.041 A，B 相差流为62.785 A，C 相差流为62.247 A。

可见保护动作时，B、C 相差流均大于差动速断段电流定值18.85 A。

差动保护速断段出口跳闸。保护动作正确。

发电机中性点高阻接地，根据故障录波器录波图2，非故障相A 相电压升高，故障相B、C 相电压降低，结合故障录波器录波图1，故障类型为B、C两相短路接地。

图2 故障录波图-电压

图3 定子线棒损坏情况

因1 号发电机保护装置动作报文只提供保护动作绝对时间，不提供保护动作时间，根据故障录波器录波图，从录波器启动录波到接收到1 号发电机差动保护动作信号时间差为19 ms，该时间为故障电流未达到1 号发电机差动保护动作定值时间、保护动作时间与保护动作信号继电器动作时间之和，保护动作时间正确。

根据故障录波器录波图，从录波器启动录波到1 号发电机出口501 开关变位信号（故障电流同步消失）时间差约为70 ms，该时间为故障电流未达到1 号发电机差动保护动作定值时间、保护动作时间、开关动作时间与开关辅助触点动作时间之和，可见开关本体跳闸动作时间约50 ms，开关本体跳闸动作时间正确。

其他后备保护时间定值均大于70 ms，未到达动作延时，正确不动作。

4 故障检查及原因分析

1 号发电机事故停机后，检查发电机中性点及机端引出线，均无异常；检查发电机风洞，打开有少量烟逸出，结合发电机保护动作情况为发电机差动保护动作，分析为发电机本体故障。

拆开1 号发电机上挡风板发现在靠近引线R区域，B 相和相邻的C 相各有一根上层线棒（B 相：96 号线棒，C 相：95 号线棒）端部渐开线出现电磁线烧熔现象（线棒主绝缘高温碳化）。

检查故障发生前几天定子各测点温度曲线，均正常。根据故障录波器录波图和故障现场情况，分析造成此次事件的原因可能有两种：

（1）故障始发原因为B、C 相间（95 号、96 号线棒处）有金属异物，该异物长期搭接95 号、96 号线棒在磁场中，导致95 号、96 号线棒的主绝缘发生电老化、热老化，进而绝缘强度逐渐下降，直至在本次同时被击穿。由于短路电流巨大，95 号、96 号槽的铜条也被烧毁、断股，现场未能直接发现异物残渣。

（2）1 号机组曾在2019 年7 月6 日发生过转子一点接地报警。事后检查发现，由于上导供水管有砂眼漏水到转子机架上，机组转动时漏水四溅，转子和定子不同程度受潮，从而导致转子一点接地报警。本次故障点发生在定子绕组上端部绑带固定线棒的端箍位置。故障的原因可能是由于故障点区域的绑带松动，机组长时间满负荷运行时，机组振动造成B、C 相绑带与端箍磨损。加之转子一点接地故障发生之前，可能有部分水已甩至故障点区域，在水的作用下加速其主绝缘老化，95 号、96 号线棒的主绝缘强度逐渐下降，直至本次同时被击穿。

5 故障处理和试验

经过检查，本次发电机定子短路故障未对发电机转子造成损坏，所以只需对定子进行处理。由于故障处理工期较为紧迫，采取由发电机生产厂家在现场对定子进行修复的处理方式，具体如下：

（1）清扫两支线棒附近区域的绕组，确保无金属和碳化异物。

（2）检查绕组端部绝缘外观，确保无其他明显的损伤。

（3）通过火焰加热的方式分别将两支接地线棒的两匝线圈下端并头（每相2 个，共4 个）块烫开，清扫和打磨槽内线棒的引线头。

（4）清扫工作区域绕组端部，对绕组进行绝缘电阻试验，应合格。

（5）对接地的线棒和烫开的绝缘头进行绝缘隔离处理，然后对槽内剩余绕组进行交流耐压试验，试验电压为0.8×（2 Un+3 kV），持续时间1 min。

（6）耐压试验合格后，在绕组下端焊接短接铜排。现场制作短路铜排，铜排截面为22.4 mm×42.5 mm，铜排长度为4 m，现场根据时间情况进行切割和热弯。现场制作10 mm×40 mm×100 mm 的搭接铜板，数量为8 件。

（7）对短接铜排、接头以及上端敲掉绝缘盒的并头块进行绝缘包扎，包扎铜排同线棒间的接头前，需打磨定子线棒引线头部位的绝缘，新绝缘同旧绝缘搭接长度不小于40 mm。

（8）对线棒绝缘破损处和引线头进行绝缘包扎，包扎层数为8 层。

（9）待包扎绝缘室温固化（一般为24 h），测量定子绕组的绝缘电阻。

（10）绝缘电阻合格后，对定子绕组分相进行2.5 Un 直流耐压和泄漏电流试验，试验电压按每级0.5 Un 逐步升压，直至2.5 Un 最高试验电压，每阶段停留1 min，读取泄漏电流值。要求泄漏电流不随时间延长而增大，各相泄漏电流之差不大于最小泄漏电流的100%（在2.5 Un 最高试验电压下）。

（11）绕组直流耐压试验合格后，对定子绕组分相进行1.5 Un、持续1 min 的工频交流耐压试验。

（12）对包扎绝缘进行加热固化，加热温度约为60℃。

（13）对处理区域的定子绕组端部喷涂红瓷漆。

因当时水库水位较低，不具备连续带负荷试运行的条件，处理完成，恢复安全措施后，只进行了空载试验，机组空载运行正常，10 月份具备带负荷条件后，分别带25 MW、30 MW、36 MW 运行4 h 以上，观察并记录机组运行的各项数据，均正常。采取在原故障线棒更换前，最多带36 MW 负荷的运行方式，并加强对该机组的运行监视。2020 年9 月该机组大修时，对该处定子线棒进行了更换和试验，至今运行正常。

6 防范对策

由于短路瞬间电弧产生巨大的热量，从残渣中难以判断故障的直接原因，只能针对可能存在的原因做好后续的防范措施，其实也是正常应该做到的检修和维护措施。

（1）利用好每年的机组小修，结合机组运行情况和试验周期，认真做好每年机组的预防性试验，且试验结果要与历次试验结果及出厂试验结果相比较，发现异常要寻根究底，并及时处理。

（2）机组大、小修期间，重要检修现场(如发电机风洞、水导油盆等处)应建立严格的出入审批制度，严格监控带入和带出的物品和工器具。

（3）机组检修时，要求必须打开发电机两侧端盖，认真检查发电机定子端部绕组、垫块、绑绳等有无异物、有无松动、脱落现象，并制定表格逐一签字确认。

（4）机组检修结束检查时，要求对发电机定子、转子、大轴、滑环、风洞、水车室等重点部位加强检查，确保无遗留工器具、无异物存在，此内容列入机组检修启动试验方案中开机前全面检查项目表格，检查人、复查人需逐一签字确认。

（5）定期校验发电机保护装置，并做好保护装置的日常巡检工作，确保发电机保护正常、有效，在发生故障时，保护装置能够正确动作，可靠而灵敏地切除故障，缩小故障范围，降低损失。

（6）日常运维过程中运用好机组的振摆保护装置，加强对机组各处振动、摆度、压力脉动等数据的监视；并考虑增加机组状态监测装置，监视机组局放、空气间隙、磁场强度、噪声等。

（7）加强对机组温度、电压、电流的监视，利用计算机监控系统和故障录波装置，监视各数据和曲线是否正常；结合机组运行状态，对各模拟量曲线进行同工况对比，观察有无异常情况。

参考文献：

[1] 国电南京自动化股份有限公司．DGT801 系列数字式发电机变压器组保护装置技术说明书[Z] ，2010．

[2] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局．水轮发电机组安装技术规范：GB/T 8546-2003[S]．

[3] 中华人民共和国电力工业部．电力设备预防性试验规程：DL/T 596-1996[S]．