发电机端部绝缘的故障预防及处理

发电机端部绝缘的故障预防及处理
本文对发电机定子绕组端部绝缘结构、常发性故障的成因及我厂在针对避免端部绝缘故障所采用的治理措施进行了分析和介绍，对试验方法和处理工艺进行了进一步探讨。

国产大型发电机组定子绕组多采用水内冷方式，水冷造成工艺上的难度加大。

在发电机定子故障中，定子绕组端部绝缘引起的事故占很大比例。

发电机线圈端部绝缘缺陷如未能及时发现而任其发展就会酿成大事故。

国产200 MW、300 MW系列发电机曾多次发生过定子绕组端部固定结构及端部绝缘工艺不良，运行中振动大引发的线棒与固定部件松动、绝缘磨损，鼻部空心导线漏水，造成接地和相间短路故障的发生。

根据1998年第一季度~2003年第一季度京津唐电网电气绝缘技术监督汇总报表，京津唐电网1998年1月~2003年3月期间容量在100MW以上发电机的事故、障碍和缺陷共77次，其中发生在水氢氢冷却发电机上的有56次。

这其中，通过检修预试发现的52次缺陷中，定子绕组端部手包绝缘类型缺陷有33次，占比例的63.5%。

由此可见，定子绕组端部手包绝缘的健康状况不容忽视。

对定子绕组端部绝缘缺陷的及时发现和检修工艺的不断改进，对于降低发电机的故障发生率有着重要的作用。

我厂经过多年有针对性的进行试验检测、提高检修水平等工作，端部绝缘缺陷已逐年减少，近几年趋于稳定，并在针对端部绝缘的处理及相应试验中积累了一定经验，为避免类似故障的发生提供了一些有效参考。

1.设备概述
(1)我厂八台汽轮发电机组均选用东方电机厂生产的QFSN-300-2型产品，
额定容量为300MW，#1、#2发电机定子额定电压为18KV，#3～8发电机定子额定电压为20KV，定子三相绕组采用双层短节距绕组结构，接线方式为2-Y，发电机冷却方式采用“水氢氢”方式。

(2)发电机定子绕组端部采用条形兰式结构，端部线棒为渐开线形，以保证间隙均匀并减少端损耗。

线圈端部设有若干固定在压圈上的绝缘支架及三个玻璃钢绑环。

上、下层之间有幅向楔块。

线圈通过绑扎固定在上述绑环及支架上，绑绳为浸胶的高强度涤纶玻璃丝绳。

下层线圈沿绑环及支架处进行小绑，上层线圈除沿支架小绑外，沿线棒端部渐开线法线方向，若干线棒相互大绑。

在线棒鼻端用粗的涤玻绳进行绕绑。

线棒间用绝缘垫块外包浸胶后的适型材料塞紧，线棒与支架及绑环间的接触部位均垫以浸胶后的适形材料。

整个端部经热烘固化后为一牢固的整体。

定子绕组端部结构如图1：
定子端部绕组引线与过渡引线都是手包绝缘，水电接头绝缘是下线后包扎的，绕组端部绝缘如图：
2.端部绝缘结构分析：
由上所述，因定子端部绕组引线与过渡引线都是手包绝缘，水电接头绝缘是下线后包扎的，绝缘的整体性与槽部对地绝缘相比，有很大差距。

在运行中当油污与湿度严重时，整体性较差的绝缘被侵蚀，绝缘水平逐渐下降，使绝缘外的电位接近或等于导线电位，这时处于高电位的不同相引线间就开始放电，当氢气湿度偏高时，放电强度不断增强，直至相间短路造成严重故障。

对于水电接头绝缘来说，还可能通过涤玻绳爬电，由粘满油污及水分的涤玻绳搭桥，使两相短路。

高质量的绝缘可较好的抵御油污、水汽侵蚀，但当油污十分严重，氢气湿度高度饱和时，电机绝缘也会因受侵蚀而发生相间短路。

可见，运行环境中油污与氢气湿度不合格会直接对端部绝缘造成危害。

另一方面，我厂投产的八台发电机组多为80年代东电产的定子绕组水冷机组，整体质量较低（尤其是一、二号发电机组，后几台机组优于一、二号发电机），手包绝缘存在着先天性缺陷，既引线手包绝缘整体性差，线棒端部绝缘盒填充不满，绝缘盒与线棒主绝缘末端及引水管搭接处绝缘处理不当，绑扎用的涤玻绳固化不良以及端部固定薄弱（包括引线存在100Hz固有频率和铜线疲劳断裂）等工艺缺陷，虽经多次治理，但并没有从根本上改变这种状况，在运行中易发生端部短路事故。

3.常见故障原因分析
我厂#2发电机曾发生过因端部手包绝缘处绝缘劣化引发贯穿性短路事故，造成发电机内部定子绕组放炮的严重事故，对我厂的安全生产造成了很大损失。

发电机端部绝缘故障是一种常发性故障，在其它一些投产较早的电厂多次发生因运行条件变差或制造、检修质量较低等原因造成端部绝缘强度降低、绝缘劣化而引发的发电机短路事故，其危害较为严重。

总结类似事故的发生，导致故障发生的原因主要有以下几种：
（1）端部手包绝缘工艺、质量差及施工中未按工艺要求工作，致使绝缘盒填充不满，环氧粉云母绝缘带缠绕松散，造成绝缘内部有空气隙存在，以及与绝缘盒之间结合不紧密，是造成端部绝缘故障发生的直接原因。

（2）运行中氢气湿度大，油、氢压差不合适，是故障发生的诱因。

（3）另一种常见的原因是运行中密封油含水量高，油、氢压差配合不当导致密封油甩到发电机定子线棒端部，脏污潮湿的油在重力作用下积存在上半部线棒的引水管根部，在氢压的作用下从引水管与绝缘盒的结合面缝隙处流入绝缘盒内，经长时间运行，便会使因绝缘下降，从而发生绝缘故障。

4.故障的预防与处理
4.1利用电位外移试验方法进行检测
当定子绕组端部存在局部缺陷时，直流耐压和交流耐压都无法准确地发现缺陷。

一般而言，发电机工频交流耐压试验容易发现定子线圈槽部及槽口处的绝缘缺陷，直流耐压试验时能较易发现线棒端部的故障，这两种方法都不能有效的发现端部绝缘缺陷。

为了准确的检测出定子绕组的端部绝缘缺陷，需测试定子绕组端部局部的电位外移和泄漏电流，所以，需对发电机进行电位外移试验（又称表
面电位法），利用此项技术能有效地发现定子线棒局部绝缘层的贯穿性绝缘故障。

此试验项目已列入预试规程中。

端部电位外移试验方法如图
据部颁《电力设备交接及预防性试验规程》中规定：出口电压20kv用表面电位标准为：在大小修时检测，手包绝缘引线接头及汽机侧隔相接头绝缘表面对地电位不大于2.5kv（18kv不大于2.3kv）；端部接头（包括引水管锥体绝缘）及过渡引线并联块绝缘表面对地电位不大于3.8kv（18kv不大于3.5kv）。

一般的经验是：最大局部泄漏电流值大于100μA说明有较为严重的缺陷，大于30μA则认为存在不同程度的薄弱环节。

电位外移试验是<SPAN lang=EN-US>1994年2号机大修时引进我厂。

在1995年我厂#4发电机交接试验所作正向加压表面电位试验，发现并处理励磁机端<SPAN lang=EN-US>8处大于1kV电位，保证了新机投运安全。

另外，在以后的1～8号发电机大小修期间进行的电位外移试验中，都不同程度地发现过定子线棒局部绝缘缺陷。

#1、#2机组因整体质量较低，在电位外移试验中多次发现发电机定子端部绝缘盒两盒接缝处，锥部手包与盒接合处均外移电压超标现象。

依据检测试验结果，在对端部绝缘的处理过程中发现，绝缘盒两盒接缝处有
裂缝且盒内绝缘填充有空隙，锥部手包绝缘与盒接合处有裂缝等缺陷，通过有效处理，避免了故障点的扩大化。

证明应用电位外移试验，能使发电机的端部绝缘缺陷得以及时发现和处理，这种方法对发现定子线棒局部绝缘层的贯穿性绝缘故障是非常有效的。

4.2检修工艺的提高与改进
近年出产的发电机由于生产厂家的工艺不断提高，新型绝缘材料的应用，在出厂时，发电机的定子线圈的手包绝缘已能达到较高的质量，符合《规程》的要求。

但对于我厂八台机组来说，在现有质量品质和工艺条件下，进一步提高检修质量和改进工艺水平，是避免故障发生的根本保证。

发电机端部检修时，要做到引线手包绝缘要有合格的层数和过渡，每层半叠绕包扎完后须刷绝缘漆，保证绝缘的连续性，包扎后要严格按烘焙工艺烘焙使其固化良好；引线之间应有足够放电距离；水电接头处导线绝缘要伸入绝缘盒内处理好搭接处，严格防止漏包或出现薄弱点；绝缘盒必须填充严实、密封良好，绝缘盒应采用带两道凸缘的绝缘盒，以防止油水进入绝缘盒；涤玻绳要用漆浸透，并防止滑入接口，施工中防止污染涤玻绳，使涤玻绳有较高的表面和体积电阻，防止爬电；引线手包绝缘处要消除金属尖角，防止尖端放电；励端引线与汇流管，绝缘引水管与内端盖，绝缘引水管与引线间都应有足够的间距；对励端引线及励、汽端水电接头要进行绝缘表面电位或泄露电流试验，以保证包扎绝缘质量。

同时，在检修时要确保所用环氧填料与涤玻绳等绝缘材料的质量，要选用有较高介电强度和防油、水侵蚀性能的绝缘材料。

目前东电产的<SPAN lang=EN-US>20KV及以上级别发电机均采用新一级的绝缘材料。

端部绑扎采用全新的NAZ中温固化胶浸渍涤玻绳，其综合性能好于原采用的环氧胶。

鼻部
用环氧粉云母带5440－1包扎进行绝缘，大大地提高该部位的绝缘质量，为彻底消除该部位引起的故障起到了关键的作用。

在条件满足时应进一步验证采用性能更优越的绝缘材料的可行性。

我厂1号机于2000年10月、2号机于2001年3月分别进行过治理性大修，更换了全部端部绝缘盒及汇水管，锥部套上绝缘套。

在以后的小修中没有发现端部电位外移超标情况。

证明这种改进方法比较有效，在以后的发电机检修中，必要时参照处理。

4.3外部运行环境的改善
定子端部绕组引线或水接头的绝缘，一般情况下有足够的绝缘强度。

但在油污侵蚀，特别是在含水及赃物的油污侵蚀下，使绝缘水平不断下降，这是造成事故的主要原因。

机内氢气湿度大，达不到标准要求，往往是事故发生的诱因。

现在，通过提高检修和运行水平，我厂发电机的运行条件不断提高，除个别情况外，基本杜绝了密封油进入发电机定子腔内，并且密封油的水分已降低到标准以下。

另外，我厂近几年通过对一些使用年限较长、除湿效果不是特别良好的半导体除湿机和冷凝式氢气除湿装置逐台进行了更换，现在除#6发电机仍在用的是QLG-III型冷凝式氢气干燥装置外，其它七台机组均更换为天净市净化设备厂生产的QGZ-3型分子筛式氢气干燥装置，经实际验证，除湿效果获得极大改善，露点温度都能控制在0℃以内的合格范围内。

但也应看到，对于个别机组，密封油进油、氢湿度超标现象仍时有发生，对发电机密封瓦及氢、油、水系统的管理需进一步加强，根除油污污染定子端部绕组应是在运行中必须采取的主要措施。

对一些机组运行参数，如冷水温度、冷氢温度、氢气冷却器的冷却水温、氢气湿度及发电机渗油情况需进一步加强监视和
控制，出现异常时能及时处理，尽量缩短异常时间。

总结
端部绝缘状况的良否直接影响发电机的长周期健康运行，我厂经过多年不断加强对发电机定子绕组端部绝缘的检测力度及检修工艺与外部运行环境的改善，使发电机端部绝缘状况得到极大改善。

但应看到，发电机定子绕组端部绝缘故障的预防是一个牵涉诸多方面的问题，因设计、制造、安装及检修质量和运行原因，我厂发电机的端部绝缘状况仍不是处在一个很高的水平上，尤其是投产较早的#1、#2发电机组，对端部绝缘故障的发生不容忽视，发电机端部绝缘的根本性治理工作仍需进一步加强。

另外，通过在每年一次机组小修和大修中对端部绝缘处进行电位外移试验，能将运行中不易发现的缺陷和问题逐步暴露出来，同时将缺陷部位进行有效消除，使得我厂发电机端部缺陷率大大下降。

从检测绝缘状态的有效性和实用性考虑，电位外移试验方法是可用的，但因其主要是用来检测端部的微渗漏水故障，对绝缘强度的评估不是特别有效，建议应进一步验证更加科学、有效的试验方法，如与直流耐压试验配合，对发电机的定子绕组绝缘进行综合性检测。