抽水蓄能电厂发电电动机定子典型故障分析

何忠华，周 勇，李 博，杨 溢，庞希斌

（国网新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南 长沙410213）

1 引言

抽水蓄能机组与常规水电机组相比较，最主要的特点就是：大容量、高转速、频繁起停、正反转、启停快，运行工况复杂，机组不仅要承受高转速下的高负荷，而且要承受在起停、正反转过程中的交变负荷，工况转换中的冲击负荷，因此对设计、制造、安装、运维的要求都非常高。

2 典型缺陷分析

2.1 定子铁心穿心螺杆缺陷

2.1.1 缺陷描述

A抽水蓄能电厂4号机组定子穿心螺杆接地导致铁心烧损。

2.1.2 原因分析

穿心螺杆绝缘结构不合理。定子穿心螺杆未涂刷绝缘漆，穿心螺杆与绝缘套管配合不当，风洞内存在的粉尘、油雾附着于定子铁心穿心螺杆及绝缘套管上，致部分铁心穿心螺杆绝缘值降低。

定子叠片涂刷绝缘漆膜厚度不够，小于设计的8～15 μm厚度，并且漆膜厚度不均匀，降低了定子叠片的绝缘强度，运行过程中定子叠片出现局部放电现象。

2.2 定子绕组松脱隐患

2.2.1 缺陷描述

B抽水蓄能电厂2号机定检时发现定子绕组（下端部底层绕组）与端箍联接绑线结合处存在缝隙、松脱的现象，绕组在运行中出现自由振动。经统计和比对，缺陷主要集中于底层线棒下端箍，即与定子铁心下齿压板距离最远的一道绑线处，且发现有附着物的绑线部位通常也存在缝隙，全面清除其表面附着物后部分线棒与绑线接合处可以用0.02 mm塞尺局部塞入，最严重部位是2号机组第169槽线棒下端箍部位的绑线已经完全松开，其中部填充环氧绦纶已开始磨损线棒主绝缘，这说明机组在正常运行过程绑线与线棒出现了磨损，填充环氧涤纶与绑线失去粘合并出现了自由振动。

2.2.2 原因分析

端箍和线棒、支架联接结构设计不牢靠：B抽水蓄能电厂发电电动机定子线棒端箍自身在安装时分4瓣现场组合焊接而成，其外侧由均匀分布的16块环氧支撑块固定、内侧靠十字交叉绑扎环氧玻璃丝带固化收缩与线棒联成整体。从现场锯开已出现松动绑线的检查与分析，安装时虽然在端箍与线棒间用环氧涤纶进行了填充，但其仅能作填充而不能将线棒与端箍很好地联成整体以减少相对振动与位移。

线棒绑线工艺不合理：①玻璃丝存在未浸透可能，浸泡的时间越短，未浸透可能性越大；②绑扎手工拉紧时玻璃丝带易流胶，散股玻璃丝带绑扎紧度难以控制、绑扎力度也十分有限。

线棒端部固有频率测试及调整工作考虑不周：根据现场试验，按原厂家工艺绑扎的线棒其端部固有频率有近60%～70%落在95～115 Hz共振区内，离散性也很大，这说明机组在正常运行时大部分线棒在共振区内运行，再加上线棒与端箍设计结构不合理、整体性较差，进一步加剧了线棒与端箍间相对位移及磨损。

2.3 定子绕组电腐蚀现象

2.3.1 缺陷描述

C抽水蓄能电厂定子绕组出现电腐蚀现象，电腐蚀的产生是局部放电达到一定程度的结果。通常发生部位在发电机定子线棒槽口、定子铁心通风沟边缘及定子线棒与槽壁间隙处。电腐蚀的进一步发展，可使绝缘破坏线棒击穿。

2.3.2 原因分析

安装工艺问题，现场安装人员对定子线棒下线前的注胶量不一致；设计问题，线棒之间的半导体垫条表面应刷半导体漆来降低电晕的产生，避免造成定子槽内电腐蚀现象。

定子线棒出槽口侧正处于线棒高低阻绝缘交接部位，发电机内部由于油污较多，从而造成线棒受油污长期浸泡，使得线棒出槽口处表面绝缘漆溶解脱落后又进一步损伤到了防晕层，而线棒出槽口处部位电场相对比较集中，从而产生了电晕，造成出槽口电腐蚀。

2.4 定子绕组相间短路

2.4.1 缺陷描述

D抽水蓄能电厂4号机组发生定子短路故障。

本次故障首先发生了单相接地，其后，在极短的时间内扩展为二相、三相短路。

2.4.2 原因分析

发电机中性点采用接地变加接地电阻方式，单相接地电流较大，超过了GB/T 14285-2006中表1，“关于定子绕组单相接地故障电流允许值1～2 A”的要求，是故障扩大的原因之一。

因电流密度和热负荷设计值较大，为解决温升问题，福伊特公司在D抽水蓄能电厂发电机线棒端部绝缘处理方式设计上采取了使用开放式绝缘盒。该方式抵抗因运行环境（如水、油污、粉尘、导电物质等）不良而引发短路故障的能力较差，是导致D抽水蓄能电厂“9.22”发电机故障扩大的原因。

3 对策建议

3.1 定子铁心穿心螺杆缺陷

3.1.1 规划设计

建议定子铁心穿心螺杆设计宜采用全绝缘结构。

定子铁心齿压指应采用非磁性材料。

建议设计单位将发电（电动）机定子穿心螺杆全绝缘设计列入到发电（电动）机通用设计中。

3.1.2 制造安装

设备制造厂应采用与穿心螺杆相配套的绝缘套管，若采用分段绝缘结构，安装单位在现场施工时应采取可靠措施防止杂物进入穿心螺栓和铁心间造成穿心螺杆绝缘下降。

定子铁心叠片现场进行分段压紧和整体压紧时建设单位应严格按照《GB/T 8564-2003水轮发电机组安装技术规范》中9.3.7定子铁心叠片相关要求、9.3.8定子铁心压紧的相关要求和9.3.10定子铁心组装后的相关要求规定进行，其铁心圆度，叠片预紧高度、次数，穿心螺杆压紧力，铁心试验前、后穿心螺杆对地绝缘，上、下齿压板安装应严格按此规定进行。

3.1.3 运维管理

建议定子铁心采用穿心螺杆的机组，应定期测量定子铁心螺杆与铁心间的绝缘，发现不符合规范要求值时应及时处理。

建议定期检查定子铁心螺杆压紧力，发现铁心螺杆压紧力不符合出厂设计值时应及时处理。

建议定子铁心采用分段绝缘套管结构的电站，将发电机定子铁心穿心螺杆改造列入技改项目中。合理安排检修时间，与设计和建设单位协作将分段绝缘改造为全绝缘结构。

3.2 定子绕组松脱隐患

3.2.1 规划设计

定子线棒上、下端部均应设置支撑环，其材质为非磁性材料，用于连接和固定线棒上、下端部，防止机组运行过程中定子线棒端部振动引起绝缘损伤。长铁心机组其端部支撑应具有应对线棒热膨胀的措施。

定子线棒上、下端箍与支架连接方式应可靠，刚度满足蓄能机组要求，避开定子线棒固有振动频率。

3.2.2 制造安装

现场安装时建设单位应严格按照《GB/T8564-2003水轮发电机组安装技术规范》定子装配中9.3.11～9.3.17各项规定进行。

定子线棒装配人员一定要有相关工作经验，严格把控定子绕组装配流程。

3.2.3 运维管理

额定转速300 r/min及以上的水轮发电机宜定期按照GB/T20140的要求进行定子端部动态特性和振动试验，例如绕组紧度检查、绕组端部振动检测、松动的槽楔检查、定子绕组直流耐压和泄漏电流测试、定子槽部线圈防晕层对地电位测量、起晕试验等。线棒端部的固有频率应尽量避开95～115 Hz的共振区。有条件的单位可安装端部振动在线监测系统。

C、D级检修中需重点检查定子绕组槽楔和端部固定块固定情况、检查是否有振动磨损产生的粉末（或油泥）沉积。

3.3 定子绕组电腐蚀现象

3.3.1 规划设计

定子绕组绝缘应采用真空压力浸渍或加热模压固化工艺成型。其端部绝缘应采用防晕层与主绝缘一次成型的结构和工艺。

优化定子线棒防晕结构设计和材料选择。

3.3.2 制造安装

定子绕组在槽内应紧固，定子槽部线圈防晕层对地电位或对地电阻测试应符合要求。

定子设备出厂前应进行定子线圈股线间耐压试验、定子线圈槽部表面电阻试验、定子线圈冷热状态的介质损耗角正切及其常态增量测定、起晕电压测定、定子线圈工频击穿电压试验、定子线圈工频耐压试验等，结果应合格。

3.3.3 运维管理

建议机组C级和D级检修中检查定子绕组端部，不应有下沉、松动、磨损或较严重的电腐蚀现象。对出现电腐蚀情况应及时处理，对于电腐蚀只损伤防晕层的线棒，对其表面清理后，涂刷高阻防晕漆；对于电腐蚀严重，绝缘损伤较深的线棒，先使用无溶剂室温固化胶填充绝缘损伤处，干燥后再使用高阻防晕漆涂刷表面。

投运20年及以上的水轮发电机组在大修时应按DL/T492规定的方法进行定子绕组绝缘老化鉴定。

推荐开展紫外线摄像检测分析。

3.4 定子绕组相间短路

3.4.1 规划设计

抽水蓄能机组线棒端部绝缘设计采用全封闭绝缘方式。

新机组设计时，应严格按照规程要求进行线棒抗短路能力设计，防止外部设备短路时，线圈失稳变形导致事故扩大。

对大容量机组中性点接地方式进行研究，讨论中性点接地变副方接消弧线圈的可行性，将单相接地电流限制在（GB/T 14285-2006）规定的单相接地安全（允许）值1～2 A范围内。

发电电动机风洞内二次测量引线 应设计在外风洞侧；空冷器供排水管路设计为不锈钢材质，采取可靠措施进行防护，消除漏水渗水隐患。

3.4.2 制造安装

新机组安装时，发电机线棒端部绝缘处理应严格按照工艺标准施工，施工措施及技术要求需经制造厂督导人员的确认，施工后应经施工单位、厂家督导、监理（如有）、业主多方验收确认。定子设备出厂前应进行定子线圈股线间耐压试验、定子线圈槽部表面电阻试验、定子线圈冷热状态的介质损耗角正切及其常态增量测定、起晕电压测定、定子线圈工频击穿电压试验、定子线圈工频耐压试验等，结果应合格。

3.4.3 运维管理

定子线棒端部清扫列入D级及以上检修的标准项目，每次检修均组织人员对其进行重点清扫和检查，此外还计划结合检修对风洞内部地面和墙壁进行治理，减小粉尘的产生，进一步提升发电机内部的清洁度。

4 结语

抽水蓄能电站近几年发展迅速，在电网事故备用、调峰调频中起到重要作用。发电电动机定子结构各电站的设计大同小异，并且直接影响机组的稳定运行。本文对抽水蓄能电站定子典型缺陷进行了分析，并提出对策和建议，为其他电站提供了有益参考。