發(fā)電機定子線棒層間墊條缺陷引起的絕緣擊穿分析

潘劍南，李浩良

(廣州粵能電力科技開發(fā)有限公司，廣州 510075)

0 前言

大型發(fā)電機定子繞組由嵌裝在鐵芯槽內(nèi)的上下層線棒組成。每一根線棒由幾十根相互絕緣的股線經(jīng)過編織、換位、膠化成型后包繞環(huán)氧云母帶，再通過真空壓力浸漬技術(shù)、模壓技術(shù)成型。線棒槽部絕緣表面還要涂刷一層半導(dǎo)體防暈層，以減少絕緣材料和槽壁之間的電暈放電。在發(fā)電機運行過程中，定子線棒會受到很大的交變電磁力作用，其頻率為100Hz，以徑向電磁力為主，切向和軸向電磁力較少[1-4]。為了防止線棒振動，保證線棒防暈層與鐵芯穩(wěn)定良好的接觸，線棒下線時在鐵芯槽底、線棒層間、線棒與槽壁的氣隙間均加塞半導(dǎo)體填料。定子繞組槽部固定結(jié)構(gòu)如圖1所示。槽楔、波紋板、層間墊條和槽底填料組成徑向固定結(jié)構(gòu)，而側(cè)面填料或者側(cè)面波紋板組成切向固定結(jié)構(gòu)[5-8]。

圖1 定子繞組槽部固定結(jié)構(gòu)

如果定子繞組端部支撐、綁扎和槽部固定的工藝不符合技術(shù)要求，定子繞組就會產(chǎn)生很大的振動，極易引起槽內(nèi)間隙產(chǎn)生電火花放電，使絕緣表面發(fā)生電腐蝕，加速線棒絕緣劣化。因此，定子繞組的槽部固定結(jié)構(gòu)和絕緣系統(tǒng)的制造工藝不僅影響發(fā)電機安全運行，還決定了發(fā)電機的運行壽命。本文以一起燃?xì)廨啺l(fā)電機定子繞組交流耐壓試驗絕緣擊穿問題為例，通過相關(guān)檢測，推斷出絕緣擊穿的原因，并提出相關(guān)防范措施。

1 試驗情況

1.1 直流耐壓試驗情況

某電廠3號發(fā)電機是燃?xì)廨啺l(fā)電機，定子繞組采用軸向密閉循環(huán)空氣冷卻方式，轉(zhuǎn)子空內(nèi)冷。定子繞組為雙層2支路并聯(lián)繞組，一共72槽。其基本技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)電機技術(shù)參數(shù)

3號發(fā)電機自2016年4月開始投入商業(yè)運行，并網(wǎng)發(fā)電5年后在2021年2月停機進行大修檢查。按照 《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》的要求，發(fā)電機大修在抽出轉(zhuǎn)子前，需要進行定子繞組直流耐壓試驗和交流耐壓試驗，檢查其絕緣狀況是否良好。耐壓試驗前定子繞組絕緣電阻測量結(jié)果見表2，測量結(jié)果符合預(yù)防性試驗標(biāo)準(zhǔn)要求，隨即對定子繞組進行試驗電壓為2.5倍額定電壓的直流耐壓試驗。試驗電壓按每級0.5倍額定電壓分階段升高，每階段停留1min后記錄泄漏電流。A相定子繞組在各階段試驗電壓下的泄漏電流不隨時間延長而增加，試驗過程中未出現(xiàn)爬電和放電等異?，F(xiàn)象，直流耐壓試驗通過，試驗結(jié)果見表3。B、C兩相定子繞組在第一次加壓過程中出現(xiàn)放電現(xiàn)象，加壓設(shè)備跳閘。測量其絕緣電阻和吸收比，測量結(jié)果未發(fā)生明顯變化，表明B、C兩相定子繞組絕緣未擊穿。排除了測量誤差和試驗回路的不正常因素影響后，對B、C兩相定子繞組進行第二次直流耐壓試驗，結(jié)果在更低的試驗電壓下出現(xiàn)放電現(xiàn)象。為了進一步確認(rèn)放電原因，對B、C兩相定子繞組進行第三次直流耐壓試驗。B、C兩相定子繞組在6.9kV以下就發(fā)生放電現(xiàn)象，試驗設(shè)備跳閘，試驗結(jié)果見表4和表5。測量其絕緣電阻仍符合標(biāo)準(zhǔn)要求，定子繞組絕緣仍未擊穿。在發(fā)電機抽出轉(zhuǎn)子后，檢查了定子繞組汽勵兩側(cè)端部，未能發(fā)現(xiàn)明顯的放電痕跡，初步判斷絕緣缺陷可能位于線棒槽部直線段。

表2 定子繞組對相間及地的絕緣電阻和吸收比測量結(jié)果

表3 A相定子繞組直流耐壓試驗結(jié)果

表4 B相定子繞組直流耐壓試驗結(jié)果

1.2 交流耐壓試驗情況

由于B、C兩相定子繞組存在絕緣薄弱點，絕緣未完全擊穿，而直流耐壓試驗未能有效地找出絕緣薄弱的位置。因此決定對定子繞組進行工頻交流耐壓試驗，試驗電壓為1.5倍的額定電壓，試驗時間持續(xù)1min，試驗結(jié)果見表6。A相定子繞組在試驗電壓下持續(xù)1min未出現(xiàn)爬電和放電等異?，F(xiàn)象，工頻交流耐壓試驗通過。B相定子繞組在電壓升高到5kV時發(fā)生放電，加壓設(shè)備跳閘。C相定子繞組在電壓升高到2.3kV時發(fā)生放電，加壓設(shè)備跳閘。對B、C兩相定子繞組進行絕緣電阻測量，絕緣電阻值均為0MΩ。B、C兩相定子繞組絕緣已擊穿。

表6 交流耐壓試驗結(jié)果

2 故障位置定位

試驗人員在定子膛內(nèi)檢查了線棒槽部，未能發(fā)現(xiàn)放電痕跡。為了找出絕緣擊穿的定子線棒，拆開了上下層線棒汽、勵兩端的焊接頭和引線焊接頭，分隔出上下層線棒。對分隔出的線棒進行絕緣電阻測試，發(fā)現(xiàn)B相上層14號線棒的絕緣電阻為0MΩ，對B相剩余的線棒進行試驗電壓為1.5倍額定電壓的交流耐壓試驗，試驗通過。試驗結(jié)果表明B相定子繞組上層14號線棒絕緣擊穿。用同樣的方法確定C相上層29號和35號線棒絕緣擊穿。

現(xiàn)場拆解出B相14號線棒、C相29號和35號線棒，均在線棒直線段層間墊條側(cè)的窄面中間位置發(fā)現(xiàn)放電燒焦痕跡，對應(yīng)位置的層間半導(dǎo)體墊條燒毀破損，如圖2和圖3所示。旁邊的鐵芯也有被電弧灼傷的痕跡。C相29號和35號線棒在絕緣擊穿位置的兩邊覆蓋了一些由電腐蝕造成的白帶，如圖4所示。而線棒槽楔側(cè)窄面和兩側(cè)寬面沒有發(fā)現(xiàn)其他放電痕跡。

圖2 線棒放電痕跡

圖3 層間墊條破損

圖4 線棒表面電腐蝕造成的白帶

3 故障原因分析

300MW及以上大容量發(fā)電機的定子鐵芯長度在8m以上，沿鐵芯槽內(nèi)要放置多條層間半導(dǎo)體墊條才能鋪滿鐵芯槽。小容量發(fā)電機的鐵芯長度較短，槽內(nèi)只需放置一條或兩條墊條就能鋪滿鐵芯槽。而該型號發(fā)電機的層間墊條是兩段搭接式墊條，即由兩條長度相等的短墊條在槽部中間位置搭接而成，墊條結(jié)構(gòu)如圖5所示。每條短墊條的搭接長度為50mm，厚度為4mm，搭接形成厚度為8mm的墊條接頭。三根線棒絕緣擊穿的位置正好在與墊條接頭接觸的位置。測量這3條層間墊條搭接接頭的厚度均小于8mm，厚度檢測結(jié)果見表7。

表7 墊條搭接接頭厚度

圖5 層間墊條搭接接頭

為了查找出線棒絕緣擊穿的原因，對3號發(fā)電機進一步進行相關(guān)試驗與檢查。首先用錘擊測試法檢查墊條接頭正上方位置的定子槽楔松緊度，發(fā)現(xiàn)共有8塊中間槽楔的敲擊聲音空洞，表明槽楔已經(jīng)松動。接著拆除了全部上層線棒，測量了槽楔松動線槽的層間墊條接頭的厚度，發(fā)現(xiàn)共有5槽墊條接頭厚度偏薄，最小值為7.0mm，檢測結(jié)果見表8。發(fā)電機制造廠對層間墊條接頭厚度要求控制在7.5～8.3mm之間，可見有5槽墊條接頭厚度不符合工藝要求，其中有4根上層線棒層間側(cè)窄面中間位置的防暈層有磨損痕跡。墊條搭接接頭朝上層線棒的一面也有撞擊磨損，而墊條接頭厚度滿足設(shè)計要求的槽內(nèi)線棒防暈層完好。絕緣擊穿的3根線棒的層間墊條接頭也是偏薄，墊條接頭厚度缺陷正是線棒絕緣擊穿的最初原因。

表8 松動線槽的檢查情況

由于燃?xì)廨啺l(fā)電機啟停頻繁，定子線棒長期處于迅速膨脹和緩慢收縮的交替狀態(tài)。而槽楔熱脹冷縮的特性與定子線棒不完全一樣，槽楔對線棒逐漸產(chǎn)生位移。隨著運行工況不斷變化，槽楔發(fā)生松動。在發(fā)電機運行時，定子上層線棒受到的電動力比下層線棒大的多，而上層線棒槽部主要由槽楔緊固，相對于下層線棒安放在槽底與鐵芯接觸牢固而言，上層線棒的固定比下層線棒要差些[9-10]。槽楔松動就會導(dǎo)致上層線棒相對于下層線棒產(chǎn)生較大幅值的徑向振動。

為了防止電暈放電，線棒層間墊條使用的是低電阻半導(dǎo)體材料。層間墊條夾在上下層線棒之間，相當(dāng)于線棒防暈層的一部分。但是墊條接頭厚度偏薄時，上層線棒層間側(cè)窄面與墊條接頭就會產(chǎn)生空氣間隙，相當(dāng)于線棒防暈層出現(xiàn)分層。上層線棒徑向振動就會造成間隙頻繁開斷。

發(fā)電機運行時主磁通會在上層線棒防暈層和層間半導(dǎo)體墊條感應(yīng)出一定的電壓。當(dāng)間隙之間的電壓差達到氣隙擊穿電壓時就會產(chǎn)生火花放電[11-12]。這種高能量的電容性放電對線棒表面產(chǎn)生電腐蝕。同時放電使空氣電離產(chǎn)生的臭氧和氮化物呈酸性，會在線棒表面產(chǎn)生白色的硝酸鹽，腐蝕線棒防暈層和主絕緣[13]。3號發(fā)電機采用空氣冷卻，該類型機組與氫氣冷卻的機組比較，密封性能較差[14-20]。定子內(nèi)部的水蒸氣、氧氣較多。臭氧、氮化合物與水蒸氣的化學(xué)作用比較強，也會加大線棒電化學(xué)腐蝕。

另一方面，上層線棒的徑向運動使上層線棒層間側(cè)窄面防暈層直接與層間墊條撞擊摩擦。一開始線棒防暈層研磨受損，隨后主絕緣也受到磨損。與此同時，層間墊條也因為受到線棒的研磨和振動火花放電而損壞。線棒與層間墊條相互磨損，不僅會造成墊條接頭厚度減少，還會使線棒與層間墊條之間的氣隙變大，進而造成振動磨損和電腐蝕更加劇烈。如此反復(fù)惡性循環(huán)，上層線棒絕緣逐漸劣化，最終在耐壓試驗過程中擊穿放電。線棒絕緣擊穿機理如圖6所示。

圖6 線棒絕緣擊穿機理

4 故障處理

針對線棒絕緣擊穿的根本原因，將3號發(fā)電機定子繞組層間搭接式墊條全部更換為厚度為8mm的整段式長墊條，避免了層間墊條形成中間接頭。對放電鐵芯點用紗布打磨，然后涂刷絕緣漆。由于定子線棒的防暈層均有不同程度的磨損，為了徹底杜絕定子繞組絕緣擊穿的隱患，更換了全部定子線棒。定子線棒槽楔也全部更新，并按要求全部打緊。檢查槽楔松緊度合格后，對發(fā)電機進行定子鐵芯損耗及溫升試驗和定子繞組交直流耐壓試驗，試驗結(jié)果全部合格，3號發(fā)電機修復(fù)完畢。

5 結(jié)論

3號發(fā)電機定子線棒絕緣擊穿的原因是線棒層間墊條接頭厚度偏薄導(dǎo)致線棒與層間墊條發(fā)生振動火花放電和磨損，最終損壞了線棒防暈層和絕緣層。

線棒層間搭接式墊條的接頭厚度要嚴(yán)格控制在技術(shù)要求的范圍內(nèi)，否則容易造成槽楔松動和振動火花放電等問題。建議使用安全性和可靠性更高的層間半導(dǎo)體墊條，如整段式的長墊條或者沒有接頭的短墊條，保證線棒表面與層間墊條良好接觸。

發(fā)電機在設(shè)計和制造工藝上的微小缺陷在交接試驗和運行初期難以被發(fā)現(xiàn)，這些缺陷成為發(fā)電機安全運行的最薄弱環(huán)節(jié)。經(jīng)過長期運行，缺陷受到電、熱、機械和化學(xué)等因素的長期作用，將在預(yù)防性試驗中逐漸暴露出來。發(fā)電機生產(chǎn)時一定要嚴(yán)格把控線棒絕緣系統(tǒng)的制造工藝。線棒下線固定時要控制好安裝質(zhì)量，下線前要檢查確認(rèn)線棒表面防暈層清潔完好。線棒下線過程中，要加強槽內(nèi)層間墊條、側(cè)面墊條和槽楔松緊度的檢查。發(fā)電機大修時，應(yīng)檢查槽楔的松緊度，對松動的槽楔必須重新打緊，必要時進行定子槽部線圈防暈層對地電位檢查。確保發(fā)電機運行中線棒絕緣不會與槽壁和層間墊條等填充絕緣發(fā)生磨損和電腐蝕，保證發(fā)電機安全穩(wěn)定運行。