大型发电机定子绕组常见故障原因及应对措施
[摘要] 根据多年处理定子绕组故障的经历，总结了一些常见的大型发电机定子绕组故障分析及处理方法。最常见故障的原因是定子线棒下线时没有按照安装工艺操作，在耐压试验时出现放电现象或在试运行试验时出现损伤线棒绝缘层的事故。其次是定子绕组击穿，机组的一些附属设备超过使用年限，运行过程中会引起绕组击穿事故；安装或大修时金属异物遗留机组内，也会导致出现定子绕组击穿的事故。最后介绍绕组内部故障原理，利用多回路理论结合有限元计算方法诊断单相接地故障位置；利用泄漏电流与端部绕组绝缘缺陷的关系，诊断绕组绝缘存在缺陷的部位。
[关键词] 定子绕组；击穿；安装工艺；附属设备；多回路理论
0 前言
随着我国机电制备技术的不断改进，发电机的单机容量也不断提高。大型发电机是电力系统中最重要的主设备之一，大型发电机出现故障导致无法运行，将会造成巨大的经济损失和严重的后果。发电机损坏事故中有将近50%是由定子绕组绝缘损坏引起的。定子绕组单相接地故障是发电机最常见的一种故障，严重时会烧毁定子绕组和铁心，造成巨大的经济损失。
1 定子绕组击穿的原因
1.1 安装工艺的影响
工艺操作过程会影响电机安装质量。四川某电站20kV 等级的发电机下层线棒，耐压试验时，多次在52kV 下出现绕组下端放电现
象，导致耐压试验无法进行。绕组端部清理完表面后，在复检过程中发现，端部仍然存在半导体硅橡胶颗粒。半导体硅橡胶颗粒是耐压试验放电的主要原因。经过安装公司技术人员仔细检查，发现槽口处溢出的半导体硅橡胶颗粒很容易脱落到端部表面，这就是端部绕组表面始终存在硅橡胶颗粒的原因。全面清理定子绕组槽口、端部表面硅橡胶颗粒，再进行耐压试验时，没有出现放电现象，耐压试验顺利通过。定子绕组表面尖角毛刺没有清理干净，由于绕组表面电位较高，在高场强作用下，电荷容易集中到表面尖端部位，引起放电。在定子线棒下线过程中，如果不按工艺要求操作，或操作人员没有认识到绕组表面保持平整的重要性，往往会造成绕组表面尖角毛刺清理不干净，绕组表面容易产生局部放电现象，不断腐蚀绝缘层，最终会缩短线棒主绝缘使用寿命。
1.2 附属设备的故障
机组一些附属设备，在检修期间需要进行仔细检查，及时发现并消除隐患。如果设备超过使用年限，需要及时更新。
比如机组发生定子线棒下端绝缘盒击穿事故,放电原因是机组的冷却器管路漏水，漏水量较大，水流顺着压指板流到绝缘盒上，降低了绝缘盒的绝缘性能，致使绝缘盒对地击穿。流到绝缘盒表面的水量较多，并混有灰尘油污等杂质，绝缘盒表面存在的杂质及水分造成绝缘盒表面电场畸变，引起绝缘盒沿面放电，同时在交流电场和水分的作用下，绝缘材料发生降解，直到绝缘盒的绝缘性能降低承受不住闪络击穿，瞬间发生了绝缘盒对地击穿。
1.3 手包绝缘不良
国产200MW 汽轮发电机出现过明显的相间短路事故，易发生相间短路的部位有：定子绕组端部的引线手包绝缘、引线手包绝缘与异相线棒接头之间及汽侧端部高电位异相接头之间。相间短路原因如下[2]：1）手包绝缘没有固化成一体，绝缘层之间有空隙，油污，水汽容易顺着空隙进入绝缘层与导线之间的界面，减弱了绝缘性能；2）绕组端部固定结构强度低，在交变电磁力和热应力作用下，线棒与固定件之间会产生相对位移，磨损主绝缘。
1.4 存在异物
发电机在安装或大修期间，锯条头、螺钉、焊渣、铁丝头、金属条等异物遗落在机组内，会引起机组击穿事故。机组内遗留金属异物的主要原因就是操作工艺执行不力、检查验收不到位、操作者工作不细致。
2 定子绕组内部故障分析检测
研究发电机定子绕组内部故障时，基于快速傅立叶变换和小波变换技术建立了数学模型，可以对不同运行工况下同步发电机定子绕组内部匝间短路故障的时频稳态和暂态特性进行相应的数值分析。下面从另外几方面介绍分析定子绕组内部故障及解决措施。
2.1 多回路理论分析电机内部故障
定子绕组内部故障时气隙磁场的谐波很强，电机中惯用的参数不能用于分析内部故障。高景德及王祥珩1987 年首次提出交流电机的多回路理论[1]。该理论把电机看作由若干相互运动的回路组成的电路，根据发电机定子绕组的接线方式，确定发电机定子绕组实际可能
发生的相间和匝间短路数。运用多回路分析法对所有实际可能发生的短路进行计算，求得每一故障下各支路电流的大小和相位，包括中性点连线电流的大小。国外也有一些学者开始利用多回路方法研究电机内部故障。1990 年德国Kulig 教授发表汽轮发电机内部故障的计算方法。美国学者Toliyat 和Lipo 等人研究感应电机定子和转子绕组的瞬态故障，利用异步电机绕组不对称的多耦合电路分析方法并进行了实验室试验。为了提高多回路模型的精确度，更好地考虑铁心饱和及涡流的作用，高景德等[2]建立了多回路和电磁场有限元相结合的模型。在实验室电机和动态模拟电机上完成了各种工况下的仿真和试验对比，验证了场路结合模型有更高的仿真精度。当采用多回路分析方法研究电机内部故障时，其参数计算主要是指各回路的电感参数，这些参数多半与电机的转子位置有关[3]，即它们多为时变参数。用多回路法仿真研究电机内部故障，每个回路都需要写出方程，列成方程组后联立求解，因此方程的数量决定了求解方程组的难易程度。定子绕组内部短路时短路回路电流主要是由于直流励磁电流在其中产生的感应电势引起的，但其他回路的电流，其中也包括定子正常相内的环流以及故障相的正常支路间的环流，对短路回路电流亦有影响。因此短路回路电流计算误差增加，且其他支路电流更难以准确计算。
2.2 定子绕组单相接地故障及绝缘缺陷的定位方法
定子绕组与铁心间的绝缘被损坏会导致发电机定子接地。绝大部分定子绕组击穿短路前都要经历一段绝缘老化或磨损的过程，如能实时掌握定子绕组对地的绝缘状况就可以预测绕组是否会出现接地
故障。虽然定子绕组单相接地故障的危害较小，但它是更严重短路故障的先兆。及时发现接地故障将极大地降低发电机内部短路故障的发生概率，若能够进一步诊断出故障位置，将为接地故障后的处理工作提供更多的便利。若接地故障发生在发电机的机端引线或中性点外，保护装置能够诊断出故障位置，就能尽快排除故障，减少停机造成的损失；若接地故障发生在发电机绕组内部，诊断出故障位置也能加快检修进度。因为缺少必要的故障信息，目前发电机定子单相接地保护还不具备定位故障的功能。毕大强等[4]研究结果表明，利用外加电
源单相接地保护和基波零序电压保护所提供的故障信息，即外加电源定子单相接地保护计算的接地故障过渡电阻值和零序电压保护中的
机端各相对地电压变化特点，可以对定子绕组单相接地故障进行定位。党晓强等[5]提出一种对大型发电机定子绕组对地绝缘状况进行在线
监测的新原理，并在此基础上提出在线确定接地短路点位置的新方法。定子绕组对地相对阻抗的数值可以反映其在线对地绝缘状况，根据接__地故障时零序电压大小和相位来确定短路接地点位置的思路。罗建等[6]利用零序网络和三次谐波电压等效网络来实时监测计算发电机
定子单相接地电阻。这种方法需要故障定位程序，利用程序计算出接地故障点距离中性点的匝数占每分支绕组总匝数的百分比，当百分比小于2%时用三次谐波方法计算基础电阻，当百分比大于2%时用基波零序的方法来计算接地电阻，实现了监测绕组全长的接地情况的目的。
大型发电机定子绕组在进行直流耐压试验时，有时会出现三相泄漏电流相差较大，且泄漏电流随电压不成比例上升或突变的情况，这
