水轮发电机定子绕组故障的特征、诊断及处理

边宏梁，王立锋，陈祥福，周高远

（杭州力源发电设备有限公司，浙江 杭州 311202）

定子绕组故障是水轮发电机的一种常见故障，不仅会影响水轮发电机运行稳定性和可靠性，而且也会降低水轮发电机动作灵敏度和接地保护可行性，甚至会造成水轮发电机出现断路、短路等故障问题，进而给水电站带来一定经济损失。因此，研究水轮发电机定子绕组故障对于预防水轮发电机故障，提高水轮发电机运行稳定性和可靠性具有重要意义。

1 水轮发电机定子绕组故障特征

1）定子绕组断路是由于接线不牢固或线路故障导致水轮发电机某点线路断开。造成水轮发电机断路故障的原因包括以下几点：①绕组线圈绕线时，线圈高度高于端板内径或者线圈浸漆时触碰到模具进而造成断线故障；②绕组线圈存在脱焊引出线拉断等情况，造成定子绕组断路[1]；③绕线穿套管或挑线时，用力过大造成断线；④绕线装箱过程中，套管暴露于箱外导致套管被压住，进而造成断线；⑤绕组接线过程中，游离漆包线或者在装机时造成漆包线断线；⑥绕组接线时，由于人为因素或模具损坏造成塌包，并且装机时转子与线棒之间发生摩擦，造成线伤或断线；⑦绕组脱漆时，漆包线断线或者绕组漆膜并未完全脱落，造成绕组不通电；⑧定子绕组整形尺寸不符合设计要求，当绕组线棒尺寸较大时，转子与线棒之间会发生摩擦，导致绕组线棒损坏，进而出现断路情况。当绕组线棒尺寸过宽时，绕组装机时也会与机壳发生摩擦造成断路现象[2]。

2）定子绕组短路故障是由于绕组线圈内部存在绝缘损坏现象，导致绕组无法接通。造成定子绕组短路故障的原因包括以下几点：①线圈绕线时由于漆包线存在质量问题，导致绕组出现线伤，进而造成短路故障；②绕组线圈接线时，漆包线和引出线连接位置存在裸露导线，或者引出线存在破损现象，导致裸露导线与绕组之间触碰造成短路；③绕组导线漆膜存在破损情况，进而造成绕组短路；④空气潮湿导致绕组受潮，使得绕组绝缘性能下降，进而引起短路事故；⑤定子加工过程中存在线伤短路情况，如加工工艺错误、定子损伤等。

3）定子绕组击穿故障是由于绕组线圈电压过大，造成线路损坏。出现定子绕组击穿故障的原因包括以下几点：①定子绕组绝缘保护层存在破损情况，铁芯和绕组击穿[3]；②水轮发电机长期受潮，导致定子绕组绝缘性能降低，进而造成定子绕组击穿；③定子绕组线圈存在游离导线，导线与铁芯之间发生接触，进而造成绕组击穿；④定子绕组电气间隙较短，造成绕组击穿。

4）定子绕组反接故障是由于绕组S级与N极接反，导致绕组无法形成磁极回路。定子绕组正确连接方法是不同导线线尾和线尾连接，线头和线头连接，当电子绕组出现反接故障时，会造成定子绕组启动困难。

2 水轮发电机定子绕组故障的诊断

2.1 水轮发电机组概况

某水电站最大装机容量为1 080 MW，发电机设计年均发电量为2.75 TW·h。该水电站共6台水轮发电机组，发电机均为密闭式自循环空气冷却水轮发电机，发电机结构参数如表1所示。

表1 水轮发电机结构参数

该水电站水轮发电机定子绕组方式为双层条形波绕组，定子极数为2P=60，槽数为540；支路数为3Y；铁芯长度为1 850 mm；铁芯内径为1 230 mm。发电机定子绕组生产工艺为全模压一次成形，线棒端头为银焊结构，绝缘结构采用灌注胶填充；定子绕组线棒数量为1 080根，共9个分支，36个斜并头，9个过桥。

2.2 水轮发电机故障过程

水电站4号水轮发电机定子绕组维修前进行交流耐压试验过程中，对水轮发电机持续加压1 min，然后测得工频耐压为23.5 kV，4号水轮发电机定子绕组试验数据如表2所示。当对定子绕组V相分支持续施加电压至10 kV时，电压表指针出现归零情况[4]。将定子绕组试验电压归零后，利用2 500 V和5 000 V电压表测得定子绕组对地绝缘电阻为0。

表2 4号水轮发电机测试结果

2.3 故障点查找

水轮发电机发生故障时并未出现异常声音或冒烟等情况，由此可以推断出，水轮发电机为小范围故障。为查明故障，将水轮发电机移出机坑位，将水轮发电机上机架进行拆除，观察定子绕组外观是否存在损坏情况。经过检查后发现，定子绕组线棒端部位置不存在异常情况[5]。在对定子绕组进行故障检查前，对定子绕组V相、W相和U相之路绕组进行了绝缘测试，试验结果如表3所示。从表中可以看出定子绕组绝缘合格；V1之路绝缘和吸收比均为0。

表3 定子绕组绝缘测试结果

2.3.1 直流降压法

利用直流降压法初步判断定子绕组故障位置，然后利用直流电阻仪测试定子绕组V相和中性点对地电阻，测量电流为5 A，经过测试后得出V相1分支电阻为150.42 MΩ，对地电阻为69.56 MΩ。结合欧姆定律和定子线棒接线结构以及测试结果，初步判断定子绕组故障位置在91~95槽内位置，同时判断其故障情况为金属接地故障[6]。

2.3.2 直流高压间隙放电法

在确定水轮发电机定子绕组故障范围后，采用直流高压间隙放电法明确定子绕组故障位置。首先利用50 kV耐压装置对V相进行电流试验，测试过程中时刻观察91~95槽放电情况。试验过程中，将电压提升至3 kV时，定子绕组93槽出现放电声音，经过仔细观察后发现，93槽线棒下端与铁芯相接位置存在电火花，并且有放电声音，由此可以推断，定子绕组故障位置为93槽线棒下端位置[7]。将93槽线棒拔出后发现定子铁芯冲片存在溢出情况，并且绝缘层已经被损坏。

2.4 发现问题

从93槽线棒故障情况来看，定子绕组线棒绝缘损坏应该为大面积、连续故障，将所有定子线棒拔出后对铁芯进行整体检查，主要发现以下问题：500槽定子铁芯冲片存在溢出情况；大部分定子铁芯安装不牢固，并且存在波浪超标等情况；定子铁芯硅钢片存在弯曲变形情况，并且水平度超标。

2.5 故障原因分析

针对以上故障问题，结合多年水轮发电机运行工况和设计图纸，推断造成水轮发电机定子绕组故障的原因包括以下几点：1）定子铁芯压紧方式不合理，铁芯后端采用拉紧螺杆压紧方法，该方法无法均匀、完全、紧固地将定子冲片压紧[8]；2）水轮发电机启动和停止操作频繁，由于该水电站为电网调峰机组，电网负荷会影响水轮机运行时间，因此该水电站频繁启动和停止操作导致设备运行性能下降；3）水轮机启动时间短，该水电站水轮发电机2 min~5 min即可满负荷，因此启动时间较短，发电机风动温度提升幅度较大，导致定子绕组铁芯温度变化较快，由于定子绕组铁芯长期处于温度不均匀环境中，造成定子铁芯出现变形情况；4）定子铁芯安装过程中压紧不到位，通常情况下，定子铁芯需要压紧3次后进行总压，如果铁芯压紧不到位则会导致铁芯出现冲片溢出、硅钢片弯曲和叠片不紧等情况。

3 水轮发电机定子绕组故障的处理

3.1 接地处理

1）修复铁棒，对定子线棒绝缘破损位置进行修复，对于破损程度不严重的定子线棒采用现场处理方式，对于绝缘破损严重的定子线棒采用更新线棒或返厂维修等措施。2）重新拉紧错位螺杆，确保定子铁芯水平度、波浪度符合设计要求。首先将定子铁芯螺杆上的螺母取下，然后才能够从不同方向压紧铁芯，确保铁芯的装压紧度。同时根据定子绕组铁芯设计要求，将螺母焊接在拉紧螺杆上，避免铁芯出现松动情况；其次根据测量标记点测量定子铁芯波浪度和高度，比对分析定子铁芯压紧前后数据，检查铁芯压紧效果，并利用紧量工作检查铁芯冲片紧量，确保其推入深度不超过3 mm[9]。3）清理铁芯，对故障铁芯进行平整处理，并清理铁芯槽。利用锉刀将凸起部位打磨平整，保持阶梯面和槽底平整，同时将铁芯槽毛刺等清理干净。4）将定子铁芯下端损坏位置进行修复，并按照设计图纸为铁芯安装挡板，具体安装方法如下：首先，选取1块铁板，将其加工为与铁芯弧度一致的工件，并将其作为磁力段钻吸座；其次，根据螺栓孔洞打样冲眼找正，并将磁力钻固定于垫板上；最后，在定子铁芯下端部安装垫块。5）对清理后的定子铁芯进行铁损试验，检查铁芯修挫位置温度变化情况。6）按照水电站水轮发电机定子安装工艺将线棒下线，然后对线棒进行电气试验，测试维修完成的定子绕组绝缘情况，以保证维修效果。

3.2 定子绕组故障预防措施

1）利用智能监测系统实时监测水轮机运行情况，如果水轮机存在故障问题，需要及时停止运行进行检修，避免出现水轮机带病复役情况。2）利用塑料布或防雨布将水轮机进行遮盖，避免灰尘、异物或水汽等进入发电机组造成定子绕组损坏。3）水轮机检测过程中如果环境湿度较大，则需要降低空气湿度，避免定子绕组出现二次损坏。4）优化水轮机检修工序，尽量减少水轮发电机机架盖板开启次数，防止湿气进入设备内部。5）在水轮发电机运行过程中，需要严格控制水轮机定子绕组温度和水轮机入口风温，避免出现定子绕组超温等情况。在水轮发电机维修过程中需要彻底清理水轮发电机铁芯风道和定子线棒，避免影响定子绕组和水轮发电机散热效率，同时也有利于减缓定子绕组绝缘老化速度[10]。6）在采购水轮发电机设备时需要严格把关设备质量和性能，并在水轮发电机运行过程中尽量减少频繁大幅度增减负荷，同时积极处理水轮发电机谐波分量。7）在水轮发电机运行时应及时处理发电机供电压力，防止水源进入发电机内部，如果水源进入发电机内部则需要及时清洁铁芯、通风孔等，并检查定子绕组线棒腐蚀浸渍等情况，同时重点检查定子绕组线棒绝缘情况，必要时需要进行绝缘测试。

4 结论

综上所述，本研究阐述了水轮发电机常见故障特征，以某水电站为例，根据4号水轮发电机故障问题，对水轮发电机具体故障问题进行了诊断，并分析了水轮发电机故障问题形成原因，利用直流降压法和直流高压间隙放电法确定了4号水轮发电机存在绝缘击穿故障问题，定子线棒绝缘层有大面积磨损；铁芯槽存在一定程度溢出情况；定子铁芯波浪度超标；定子铁芯硅钢片有弯曲变形现象。针对以上问题，采用修复定子线棒、重新拉紧螺杆、清理铁芯、修复铁芯等措施解决水轮发电机绝缘击穿故障问题。同时采用水轮发电机故障预防措施能够有效避免水轮发电机定子绕组出现故障的情况，有利于提高水轮发电机运行稳定性和安全性。