趙貴前

（國(guó)網(wǎng)新源北京十三陵蓄能電廠，北京 102200）

某廠4臺(tái)奧地利制造的發(fā)電機(jī)于1995年投產(chǎn)，額定容量為222 MVA，電動(dòng)額定容量為218 MW，額定電壓為13.8 kV，額定電流為9 288 A。定子機(jī)座分2瓣，幾何外形為正八邊形,對(duì)邊尺寸為6 600 mm，高度3 450 mm，重178 t。定子機(jī)座內(nèi)圈均勻分布有30根定位筋支撐方鋼，且與5層環(huán)板和下環(huán)相接，形成Φ5 364的定位筋配合面。定子鐵芯由0.5 mm厚的優(yōu)質(zhì)硅鋼片(型號(hào)V285Q-50 A)交錯(cuò)疊壓而成，鐵芯高2 500 mm，內(nèi)徑為4 300 mm。定子繞組為雙層疊繞整數(shù)短節(jié)距繞組，F(xiàn)級(jí)環(huán)氧粉云母少膠VPI線(xiàn)棒絕緣體系，圈式線(xiàn)圈，由60匝單玻璃絲包聚酯漆包扁銅線(xiàn)組成。定子總槽數(shù)180個(gè)，極距15 mm，節(jié)距12 mm，每相并聯(lián)支路數(shù)3個(gè)。

1 發(fā)電機(jī)定子繞組線(xiàn)棒絕緣擊穿情況

1.1 發(fā)生過(guò)程

2012年，2號(hào)發(fā)電機(jī)安裝了局部放電在線(xiàn)傳感器后進(jìn)行定子繞組交流耐壓試驗(yàn)。試驗(yàn)前，絕緣電阻、吸收比及極化指數(shù)，定子繞組分支及總體直流電阻，定子繞組直流耐壓及泄漏電流，定子鐵芯壓緊螺栓絕緣電阻測(cè)量等項(xiàng)目均合格。定子繞組交流耐壓試驗(yàn)采用的是串聯(lián)諧振耐壓，耐壓值為20.7 kV(1.5 Un)。首先進(jìn)行A相耐壓，電壓值升到18 kV時(shí)，聽(tīng)到較響的放電聲，且放電后失諧，儀器高壓側(cè)直接斷開(kāi)。檢查相關(guān)位置，未發(fā)現(xiàn)異常放電痕跡，打開(kāi)耦合器底板檢查二次線(xiàn)，接線(xiàn)良好，用2 500 V搖表測(cè)量A-BC-地的絕緣，絕緣電阻值為1.56 GΩ。B相正常升壓到20.7 kV，保持1 min，通過(guò)。C相耐壓試驗(yàn)時(shí)，加壓到17.6 kV，發(fā)生了與A相類(lèi)似的放電現(xiàn)象，儀器失諧，高壓側(cè)自動(dòng)斷開(kāi)；同樣用2 500 V搖表測(cè)C-BA-地的絕緣電阻，電壓升到500 V時(shí)，絕緣電阻值為118 kΩ。分別測(cè)量C-地，電壓升到400～500 V，絕緣值為100 kΩ；測(cè)量C-B，電壓升至2 500 V，絕緣值為1.67 GΩ；測(cè)量C-A，電壓升至2 500 V，絕緣值為1.05 GΩ。將C相的3個(gè)耦合器全部甩開(kāi)，再用搖表測(cè)C-地絕緣，電壓升至500 V，絕緣值為161 kΩ。從絕緣電阻測(cè)量結(jié)果可以初步判斷，C相對(duì)地主絕緣發(fā)生擊穿。

1.2 故障位置確認(rèn)

首先將A，B相短接，再用5 000 V絕緣搖表對(duì)AB相充電5 min，對(duì)C相放電，觀察放電點(diǎn)。經(jīng)過(guò)2次試驗(yàn)，確認(rèn)為143號(hào)槽上層線(xiàn)棒槽口處發(fā)生了放電。經(jīng)檢查，143號(hào)槽上層線(xiàn)棒為C相，下層線(xiàn)棒為A相。

A相第1次升壓后出現(xiàn)放電，但是未發(fā)現(xiàn)放電燒灼痕跡，測(cè)量絕緣電阻也未發(fā)現(xiàn)異常。后采取升壓燒故障點(diǎn)的方法，確定故障位置為162號(hào)槽。162號(hào)槽上下層線(xiàn)棒均為A相。

1.3 準(zhǔn)確位置查找

將定子吊出機(jī)坑，確認(rèn)143號(hào)槽及162號(hào)槽的故障線(xiàn)棒是上層線(xiàn)棒還是下層線(xiàn)棒。將C相143號(hào)、A相162號(hào)線(xiàn)棒上端部焊開(kāi)，將上下層線(xiàn)棒分開(kāi)，用2 500 V搖表分段測(cè)量絕緣電阻。從測(cè)量結(jié)果得出：143號(hào)及162號(hào)槽均為上層線(xiàn)棒出現(xiàn)絕緣故障。2根故障線(xiàn)棒拔出后，檢查發(fā)現(xiàn)2根線(xiàn)棒擊穿部位非常相似，均在線(xiàn)棒上端部出槽口附近，具體擊穿點(diǎn)均位于線(xiàn)棒絕緣繞制的倒角處。

2 原因分析

2.1 線(xiàn)棒狀態(tài)檢查分析

故障位置均為上層線(xiàn)棒出槽口里側(cè)線(xiàn)棒一側(cè)倒角處，線(xiàn)棒所處均為高電位，故障位置有絕緣腐蝕缺損。

根據(jù)這幾個(gè)特征，在定子繞組中又找出3根線(xiàn)棒(41號(hào)、81號(hào)和53號(hào)槽線(xiàn)棒)，將其端部焊開(kāi)后分別進(jìn)行試驗(yàn)，耐壓值為22.5 kV。其中一根在升壓至20.05 kV時(shí)放電，對(duì)該線(xiàn)棒第2次升壓，升壓至4.5 kV時(shí)放電擊穿，擊穿位置相同。

將故障線(xiàn)棒拔出，從故障點(diǎn)剖開(kāi)，檢查線(xiàn)棒內(nèi)部絕緣狀況。

(1) 故障點(diǎn)處的內(nèi)絕緣(143號(hào))存在部分主絕緣分層現(xiàn)象，但是同一剖面的其他位置的主絕緣用肉眼看不出明顯的分層，絕緣整體性尚可。

(2) 同一剖面上線(xiàn)棒的主絕緣厚度不一致，在場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)集中的線(xiàn)棒倒角處絕緣厚度相對(duì)較薄。

(3) 擊穿部位：從防暈內(nèi)屏蔽金屬條開(kāi)始直線(xiàn)延伸到倒角，穿透。防暈內(nèi)屏蔽金屬條同一直線(xiàn)相交以外的絕緣層在擊穿倒角處幾乎蝕損殆盡，而沒(méi)有發(fā)生擊穿的倒角沿防暈內(nèi)屏蔽金屬條一線(xiàn)相交處以外的絕緣基本沒(méi)有發(fā)生蝕損。

DL/T492-2009《發(fā)電機(jī)環(huán)氧云母定子繞組絕緣老化鑒定導(dǎo)則》規(guī)定，對(duì)“運(yùn)行年久(一般運(yùn)行時(shí)間在20年以上)”或“運(yùn)行或預(yù)防性試驗(yàn)中多次發(fā)生絕緣擊穿或必要時(shí)”應(yīng)進(jìn)行絕緣老化鑒定試驗(yàn)?？紤]到發(fā)電機(jī)已運(yùn)行近20年，又在預(yù)防性試驗(yàn)中出現(xiàn)了絕緣擊穿，因此對(duì)這臺(tái)發(fā)電機(jī)定子上層剩余線(xiàn)棒進(jìn)行抽檢。按上述3個(gè)故障外在特征，通過(guò)窺鏡對(duì)存在電腐蝕缺損跡象的線(xiàn)棒進(jìn)行觀察，最終確定對(duì)1號(hào)、61號(hào)、84號(hào)上層線(xiàn)棒進(jìn)行檢查。將這3根線(xiàn)棒上下端頭分別焊開(kāi)，使得線(xiàn)棒獨(dú)立出來(lái)，在槽內(nèi)進(jìn)行絕緣老化鑒定試驗(yàn)。絕緣老化鑒定試驗(yàn)包括：①介質(zhì)損失角試驗(yàn)；②電容增加率試驗(yàn)；③局部放電量試驗(yàn)；④介電強(qiáng)度試驗(yàn)。同時(shí)，另外選一根新線(xiàn)棒做同樣的試驗(yàn)作為參考標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，3根線(xiàn)棒基本合格，且外觀和解剖檢查沒(méi)有發(fā)現(xiàn)絕緣嚴(yán)重分層發(fā)空、固化不良、失去整體性、局部放電嚴(yán)重(絕緣內(nèi)部)和股間絕緣破壞等老化現(xiàn)象，也就是說(shuō)該線(xiàn)棒絕緣老化程度輕微。

2.2 絕緣擊穿原因分析

2.2.1 電暈放電導(dǎo)致線(xiàn)棒主絕緣受損

大量的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，發(fā)電機(jī)事故通常是由定子絕緣損壞引起，且多由局部放電或電暈導(dǎo)致，因它們對(duì)絕緣材料有強(qiáng)烈的腐蝕作用，使半導(dǎo)體層耗失，主絕緣損傷，并不斷被啃蝕。該廠發(fā)電機(jī)最初技術(shù)規(guī)范要求，單根線(xiàn)棒起暈電壓為20.7 kV，組裝整體起暈電壓為15.18 kV，但實(shí)際情況遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到要求。從目前(已運(yùn)行16年)的試驗(yàn)結(jié)果看，整機(jī)起暈電壓大約為3 kV，單根起暈電壓大約為6 kV。通過(guò)紫外攝像試驗(yàn)檢查，在單相額定電壓為8 kV時(shí)，電暈放電非常嚴(yán)重，除了線(xiàn)棒直線(xiàn)段外，幾乎每一根上層線(xiàn)棒出槽口處都有不同程度的電暈放電，大多數(shù)上層線(xiàn)棒還有不同程度的絕緣缺損，部位都在上端部、層間位置，距離出槽口約3 cm處。該處是機(jī)械模壓段與熱縮模壓段的結(jié)合部位，屬低阻與高阻的過(guò)渡部位。故障線(xiàn)棒擊穿點(diǎn)均位于線(xiàn)棒絕緣缺損部位的倒角處。所以，該廠線(xiàn)棒在防暈結(jié)構(gòu)(包括安裝工藝)的設(shè)計(jì)和制造上并不完善。

對(duì)上述線(xiàn)棒狀態(tài)的檢查分析表明，該廠發(fā)電機(jī)線(xiàn)棒絕緣老化并不明顯，線(xiàn)棒端部絕緣良好并無(wú)間隙性缺陷，定子繞組絕緣按電壓分布，所以能夠通過(guò)直流耐壓試驗(yàn)。但交流耐壓作用于線(xiàn)棒絕緣內(nèi)部的電壓分布及擊穿性，能更好地反映電機(jī)的工作狀態(tài)。當(dāng)線(xiàn)棒出槽口倒角處絕緣損失后厚度不足以抵抗介電強(qiáng)度和應(yīng)力強(qiáng)度時(shí)，線(xiàn)棒內(nèi)屏蔽金屬條位置是線(xiàn)棒絕緣層中間最容易開(kāi)裂而形成的放電通道，這樣內(nèi)外夾擊，會(huì)使主絕緣擊穿。143號(hào)槽線(xiàn)棒絕緣最差，不僅是因?yàn)榫€(xiàn)棒擊穿點(diǎn)倒角的絕緣蝕損最嚴(yán)重，而且因?yàn)槠溲貎?nèi)屏蔽金屬條一線(xiàn)的絕緣具有分層現(xiàn)象，這是其他故障線(xiàn)棒所沒(méi)有的。所以，143號(hào)槽線(xiàn)棒一次耐壓在17.6 kV時(shí)就被擊穿了，而其他線(xiàn)棒首次耐壓并沒(méi)有擊穿，只是發(fā)生了電暈放電，線(xiàn)棒絕緣表面擊穿，然后再次或多次耐壓沖擊后才使得主絕緣擊穿。

2.2.2 制造工藝差，線(xiàn)棒絕緣厚度不均，倒角處絕緣厚度薄弱

查看廠家圖紙，線(xiàn)棒直線(xiàn)段主絕緣設(shè)計(jì)厚度為3 mm，端部主絕緣設(shè)計(jì)厚度為4 mm，倒角處厚度與其他部位一致?，F(xiàn)場(chǎng)將線(xiàn)棒剖開(kāi)后，發(fā)現(xiàn)線(xiàn)棒倒角部位絕緣最薄。實(shí)際測(cè)量端部絕緣厚度，橫剖面長(zhǎng)邊部位絕緣厚度為4 mm，短邊部位為3 mm，倒角部位僅為2.5 mm。由于加工工藝等原因，線(xiàn)棒倒角處絕緣厚度并未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，加上長(zhǎng)期的電暈腐蝕，使線(xiàn)棒倒角處絕緣厚度更小，如擊穿的4根線(xiàn)棒倒角處絕緣厚度只有1.25 mm。在機(jī)組運(yùn)行中，線(xiàn)棒倒角處的場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)更高，而此處的絕緣卻最薄弱，因而容易被擊穿。

可見(jiàn)，由于廠家設(shè)計(jì)的絕緣裕度不夠，防暈設(shè)計(jì)不理想，導(dǎo)致了電暈的發(fā)生。初期，電暈引起的電腐蝕導(dǎo)致電化學(xué)反應(yīng)，分解材料中的有機(jī)物，而后電暈逐步發(fā)展為火花放電，使主絕緣產(chǎn)生缺損及絕緣性能下降。廠家在線(xiàn)棒加工制作過(guò)程中，主絕緣未達(dá)到設(shè)計(jì)厚度，且絕緣厚度不均勻，在倒角處場(chǎng)強(qiáng)最集中的部位絕緣薄弱。加之故障線(xiàn)棒運(yùn)行中工作電壓較高，出槽口部位既是電磁環(huán)境最?lèi)毫拥牡胤剑彩菣C(jī)械加工的過(guò)渡區(qū)域，機(jī)械特性最為薄弱。設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行環(huán)境等多種因素疊加在一起，最終導(dǎo)致線(xiàn)棒存在薄弱區(qū)域，使線(xiàn)棒整體絕緣水平降低。

4 預(yù)防措施

(1) 對(duì)于運(yùn)行中發(fā)生電機(jī)定子線(xiàn)棒出槽口電暈的處理，目前現(xiàn)場(chǎng)只采用重新補(bǔ)涂半導(dǎo)體漆的方法。該方法只要工藝得當(dāng)，補(bǔ)涂完整，就能夠起到減弱電暈的作用。

(2) 減少線(xiàn)棒不可逆?zhèn)鄯e，維持發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣正常使用壽命。針對(duì)現(xiàn)有絕緣狀況，重新研究制定發(fā)電機(jī)電氣預(yù)防性試驗(yàn)方案，《規(guī)程》中規(guī)定，檢驗(yàn)發(fā)電機(jī)繞組匝間和相間絕緣的感應(yīng)耐壓試驗(yàn)電壓值為1.3 Un，運(yùn)行20年以上的發(fā)電機(jī)預(yù)防性試驗(yàn)交流耐壓值為(1.3～1.5)Un。

(3) 加強(qiáng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)，規(guī)范在線(xiàn)局部放電監(jiān)測(cè)裝置管理，確實(shí)發(fā)揮其作用，將線(xiàn)棒槽電暈放電和出槽口電暈放電這種類(lèi)型的局部放電納入在線(xiàn)監(jiān)測(cè)范圍。

(4) 按照DL/T492-2009《發(fā)電機(jī)環(huán)氧云母定子繞組絕緣老化鑒定導(dǎo)則》盡快安排對(duì)其他3臺(tái)機(jī)組運(yùn)行線(xiàn)棒進(jìn)行老化鑒定試驗(yàn)，對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣進(jìn)行整體的分析評(píng)估，研究制定合理的技術(shù)改造或大修方案，防止因電暈問(wèn)題導(dǎo)致發(fā)電機(jī)定子絕緣事故。

(5) 編制應(yīng)急預(yù)案，不僅在組織上、備件材料上要有準(zhǔn)備，更要對(duì)現(xiàn)有運(yùn)行控制及繼電保護(hù)作全面檢查，保證自動(dòng)控制和繼電保護(hù)動(dòng)作及時(shí)準(zhǔn)確，做到設(shè)備可控、能控、在控。