灯泡式贯流机组定子线棒端部破裂分析

    摘要：该文针对白石窑水电厂灯泡式贯流机组定子端部破裂故障的原因做了全面的分析，并提出了改善运行条件的措施。

    1 概况

　　白石窑水电厂位于北江干流英德市望埠镇境内，是北江干流梯级开发的第二级，为日调节电厂，装有四台灯泡贯流机组，机组采用扩大单元接线。单机容量18MW，设计水头9.37m，额定转速88.2r/min，定子直径5.8m，绕组为波型绕组，357槽，导线为MYSRE-1双玻璃丝包聚酰亚胺扁铜线绕成，F级绝缘。定子端部为高阻半导体玻璃丝带包扎，导入绝缘盒，注入环氧树脂进行热固化处理成型。四台机组分别于1997年4、11月、1998年8月、1999年2月相继并网投入运行。投产几年后，四台发电机定子端部绝缘盒发生了不同程度的破裂，还发生过两次线棒绝缘击穿短路事故。

    2 定子端部破裂情况

　　1号水轮发电机纵差、横差和转子一点接地保护动作，机组突然甩负荷，出线真空开关、灭磁开关、励磁开关相继跳闸，值班员下灯泡头观察，发现烟雾很大。试验人员摇测定子绝缘电阻为零，进入转子室检查发现上游侧下端部有一处绝缘击穿。经过对线棒烧伤痕迹和绝缘表面氧化物彻底打磨干净，用棉布蘸酒精进行清理，重新包上高阻半导体玻璃丝带，套上新的绝缘盒，并在绝缘盒朝上开一个大孔，以方便灌注环氧树脂，朝里端开口用腻子仔细封堵严，以防胶体流出，然后从上端开孔处慢慢注入环氧树脂。处理后测得绝缘电阻为4.17MΩ,吸收比1.8。 

　　4号水轮发电机开机并网后，负荷增至18MW时，出现发电机差动信号继电器动作，4号机电气事故停机，后经相关技术人员试验检查发现4号机上游侧定子线圈端部有两个绝缘盒明显击穿，并按上述方法作了同样处理。

　　发生过两次类似事故，开始意识到问题的严重性，遂组织技术人员对四台发电机定了端部绝缘盒进行全面检查，检查发现1、4号机定子端部绝缘盒有95%已破裂，2、3号机定子端部绝缘盒有50%已破裂，还发现3号机有两根槽楔已掉落，4号机转子绝缘线夹的螺丝掉出，刮伤了定子绝缘层。

    3 破裂原因分析

　　白石窑水电厂发电机定子端部绝缘盒运行了四、五年就发生了严重的破裂现象，经分析主要有以下几种原因：

　　(1)定子存在先天性缺陷。绕组端部绝缘制造工艺质量是造成定子端部短路故障的根本原因。灯泡贯流机组的定子室与灯泡头和管形座距离较短，绕组成型较差，线棒之间空隙小，所以绑扎环氧粉云母带和玻璃丝带时不好操作，端部与绑环间不服帖、绑扎松弛，成为端部绝缘弱点；采用的绝缘盒质量欠佳，表面凹陷，导入线棒端部时需橇开口用锤子敲进去，中间填充环氧树脂不均匀，内部产生贯穿性气泡，端部固定整体性差。为缩短工期，进行强行风干后易出现缝隙或分层，又未进行第二次浇注，成为端部绝缘的另一绝缘弱点。白石窑水电厂因其库容小，在清远地区担负着日调峰作用，当发电机频繁开停机时，引起机组振动、冲击，及操作过电压，强大的电动力造成绕组振动导致绑绳开断，温度升高使其膨胀，从而使绝缘盒破裂。1号机发生的定子绝缘击穿事故原因是该机定子端部绝缘存在缺陷，端部绝缘为沥青云母带包扎，绝缘整体性差，模压绝缘与手包绝缘搭接不良，绝缘盒填充不满；此外，灯泡头内的受油器经常漏油和主轴密封漏水，流进定、转子室内。在绝缘薄弱或缺陷处，由于定、转子室空气湿度较大，导致绝缘破坏，发生对地（外壳）放电击穿。

　　(2)运行条件、环境的影响。机组在不良环境条件下运行会加速定子主绝缘的老化。灯泡式贯流机组是整座机组安装在离上游水面下20多m处，开机时发电机内外温差较大，定子内部空气湿度大，发电机内部容易结露，停机后使发电机定、转子受潮（冬天更为严重），从而降低了定、转子的绝缘强度。再开机时会使定子线棒接头产生局部过热现象，线棒绝缘盒容易破裂。灯泡式贯流机组内部结构较为紧凑，发电机距上游的灯泡头和下游的管形座只隔一块铁板，受油器、轴承座经常因振动造成油管破裂、轴承磨损而漏油或喷油，主轴密封有时漏水过大，油和水通过隔板进入发电机，在密闭式水循环风冷却风机和转动的发电机转子的作用下，油和水形成油水雾气，机内湿度增加，绝缘受潮，绝缘电阻大幅度下降，容易引起端部绝缘击穿事故。

　　(3)高次谐波的影响。由于白石窑水电厂的库容小，参与地区电网日调峰填谷，机组负荷经常受限制，为少弃水量多发电，提高电厂的经济效益，引进外资办厂消耗多余电量，其中引进的三家炼钢厂开炉时产生的高次谐波对机组造成了一定的危害。给定子铁心、线棒和磁极造成了附加损耗，引起铁心、线棒和磁极发热增加，这些高次谐波主要有3、5、7、9、11、13、15次谐波。高次谐波还会引起机组振动加剧甚至引起共振。由附加损耗引起的发热和振动，造成线棒与绝缘盒之间的填充料加速老化和松动，最终产生电晕腐蚀现象。 

　　综上所述，先天性绝缘缺陷是导致定子绕组短路故障的根本原因，端部固定不牢、空气湿度过大、漏油、振动等缺陷，是诱发和扩大端部损坏程度引发短路事故的重要原因。

    4 改善措施

　　根据灯泡贯流机组的特点，为了提高定子线棒的绝缘强度及最大限度地延长机组使用寿命，保证机组的安全稳定运行，我厂采用以下措施改善机组的运行条件和运行环境。

　　(1)消除定子线棒端部绝缘的薄弱环节。每次大修时用洗涤剂清洗干净定子线棒上的油污、油垢，防止油污、油垢形成闪络小桥。对已击穿的线棒，将端头清理干净，按绝缘工艺进行处理。

　　(2)提高检修和运行管理水平。在安装和大修中按规定标准调整密封瓦、水封和汽封的间隙，防止运行中密封瓦向机内进油、进水或油中进水。挡油板、挡油盖在安装时要仔细调整，接口应对齐，限制受油器漏油而流入风机口吹进机内。操作油和润滑油必须确保干净，无水分和杂质。值班人员要加强设备巡视，及时发现问题并及时处理。

　　(3)治理高次谐波，在近区供电的10kV及35kV输电线路的母线上加装阻波器，防止有害谐波侵入变压器和发电机。

　　(4)推广应用在线监测和诊断技术，实现对机组定子绕组绝缘监测、端部振动监测、机内过热监测与诊断、发电机进油、进水监测，保证发电机安全可靠运行。