发电机定子线棒绝缘击穿原因分析及处理

　　本站所采取的处理方法和几点建议，为国外引进同类型机组的电站在安全运行管理、检修维护上提供借鉴和。

　　湖南省南津渡水电站发电机组为引进奥地利灯泡贯流式机组，总装机容量为3X20MW，机组型号为SV420/40―180，额定电流1221A，额定电压10.5kV，定子、转子绕组绝缘等级为F级，定子铁芯槽数为288槽。1991年11月，1号机组投产发电，2号、3号机组分别于92年4月、6月相继运行发电。

　　自1999年起，1号机组两次出现了定子线棒主绝缘击穿故障；2000年9月，2号机组定子线棒出现了明显的电晕、电腐蚀现象。

　　1发电机结构设计和冷却方式1.1定子铁芯3m，它由0.5mm厚的矽钢片半搭接叠装而成。每片矽钢片的两边涂有绝缘漆，铁芯与定子全部采用充分的鸠尾楔接。在定子铁芯的背面中部设计了三个电阻式温度计（GB*B1B3），以便监视铁芯温度，实际现场安装了两个电阻式温度计。

　　1.2定子绕组1.2.1定子线棒结构及绝缘定子绕组采用条式线圈（即线棒）双层波绕组，节距按1一8―15荦数槽绕阻设计。线棒在槽内的直线部分由2X13根实心扁铜线进行360*罗贝尔换位编组，线棒的主绝缘采用F级环氧粉云母材料，整根线棒进行真空环氧树脂浸渍并烘烤硬化处理，在线棒的直线部分及端部进行防晕处理。

　　1.2.2定子线棒防电腐蚀措施及端部固定环氧粉云母绝缘是固体绝缘，热态不膨胀。由于电磁振动，嵌线时线棒表面防晕层与槽壁接触不良，从而引起槽内。间隙火花放电，使绝缘表面产生电腐蚀。为防止电腐蚀的发生，嵌线棒时，在铁芯槽底'层间半导体隔板、槽楔板、线棒与槽壁的气隙间采用半导体硅橡胶填充（国内通常采用半导体垫条），以保证线棒防晕层与铁芯稳定良好的接触，降低线棒槽电位（见）。该半导体硅橡胶特点是固化后呈弹性，在额定工况运行下，亦能长期保持该特性，并可有效防止线棒的振动。

　　1娃橡胶2下层线棒3层间隔板4上层线棒5定子铁芯定子线棒的端部固定：采用氯丁橡胶管带（管内充环氧固化胶）分别将上、下层线棒端部绑扎在支持环上。该种线棒嵌线及端部固定方式的更大特点是便于线棒的嵌装和检修。

　　在定子上、下层线棒间的中部设计安装埋入式电阻温度计（GB―B4B12），均匀的分布在三相绕组上，用以监测线槽温度，而现场只安装了GB―B4B9六个电阻式温度计。

　　1.2.3机组冷却方式机组冷却系统是一独立系统，与滑环室是隔离的。发电机的通风冷却是在靠近发电机的上游侧装有四台功率4kW的轴流风机，风机将冷风送经转子支架上、下圆盘上的10个通风孔，然后流经下游侧定子线棒端部、磁极间通风孔，进入定、转子间气隙，在上游侧定子线棒端部汇合后，通过八个空气冷却器回到轴流风机，形成一个密闭循环的通风系统。

　　2发电机组故障缺陷情况2.1 1号机组定子线棒绝缘击穿195槽的定子上层线棒分别在上游侧槽部槽口处出现了线棒主绝缘击穿故障。从更换下的故障线棒上可观察到明显的击穿点，线棒槽部区域上游段防晕层完全损坏并发生严重的主绝缘表面电腐蚀现象，线棒槽部区域中段防晕层及主绝缘表面受腐蚀情况相对上游段要略轻，而线棒槽部区域下游段从槽口有30―40cm防晕层没受损且未发生电腐蚀。

　　2.2 2号机组产生严重的电晕、电腐蚀现象自2000年9月，2号机组在运行中，发电机灯泡头内有强烈的臭氧气味。根据该情况，本站在2001年3月，对2号机组定子线棒端部进行了检查，发现定子线棒上游端槽部及槽口处槽放电和电腐蚀现象严重，线棒与铁芯槽壁普遍存在0.3 1.0mm的间隙；约有1/3的线棒槽口有白色粉状物；约有1/5的线棒槽口处槽壁铁芯有黑点、毛刺、啃齿及槽楔松动、硅橡胶老化、线棒松动等现象。此外，上游端定子线棒的端部碳粉污染严重。检查定子线棒下游端，虽未发现以上现象，但定子线棒表面绝缘漆却受到组合轴承润滑油受热所产生的油雾的污染。

　　3故障原因分析针对1号发电机定子线棒绝缘击穿故障、2号发电机定子线棒槽口电晕和电腐蚀现象严重的情况，电站做了大量试验，并多次召开专家研讨会，经多方论证，认为本站线棒绝缘击穿、产生电晕及电腐蚀的起因首先来自于热效应造成的硅橡胶老化。以下将从机组设计制造、运行维护、外界影响因素等方面对机组产生定子线棒绝缘击穿、电晕及电腐蚀的成因加以分析3.1机组设计制造方面3.1.1发电机几何形状不理想本站发电机定子铁芯长与定子内径之比为1.3/4.3=0.302，与同类型引进的贯流灯泡式机组相比，本站机组几何形状为典型的细长体结构。（见表1）从通风冷却角度看，细长体电机的更大问题是定子温度沿轴向分布不均匀，造成更高点温度过篼。

　　根据本站的机组通风冷却方式，线槽更高的温度出表1机组几何形状对比电机长径比南津渡电站马迹塘电站马回电站机组容量现在定子线棒上游侧的铁芯槽口段，槽口附近区域的半导体硅橡胶易受热老化；而在定子线棒的下游侧的铁芯槽口段，线槽温度则相应较低。

　　3.1.2磁极极靴外形问题本站机组属凸极式电机，转子与定子之间的气隙是不均匀的。磁极极靴的宽度bp=225mm，磁极距r=337.7mm，极弧系数ctp=bp/T=0*755，刚好在0680.76范围内。更小气隙Smin=9mm，更大气隙Smax =413远大于通常规定的1.5.极靴外形不佳，易造成电机的磁路不平衡，导致谐波磁势增大，较强的高次谐波磁势，使定子线棒的附加损耗明显增大而导致机组温度升高，易引起定子线棒上游端槽口附近区域的半导体硅橡胶受热老化。

　　3.1.3线棒端部固定由于在铁芯槽与线棒间采用了具有弹性的半导体硅橡胶，该材料既可防止电腐蚀，又可以起到固定线棒、防止振动的作用，因而仅在定子的线棒端部与端箍进行绑扎，未在相邻的上层线棒或下层线棒斜边间垫以斜边垫块，槽口线棒间也未加槽口垫块加以固定。这种固定方式的缺点是当半导体硅橡胶受热效应老化，易使线棒在槽内振动，导致运行中处于高电位的线棒产生电腐蚀。

　　3.2运行维护方面由于本站为一径流式电站，加之在电网中经常担任调峰任务，机组开停机的次数较频繁。当定子线棒上游端槽口附近区域的半导体硅橡胶受热老化后，在频繁开机并网或受到系统冲击时，冲击电流产生的大电动力将造成线棒在槽内振动，磨损线棒防晕层、主绝缘，导致定子线棒起晕。电晕产生热效应、臭氧，加剧了半导体硅橡胶的老化，损坏了主绝缘中的有机物，逐渐发展，就会使线棒绝缘损坏、击穿。

　　本站监测定子线棒槽温、定子铁芯温度的电阻式温度计数量较少且分布不太合理，运行人员无法测量定子铁芯上游端及上、下层定子线棒间槽部上游端的线槽真实温度。据统计，1号机组以20MW额定运行时，定子线槽温升：91年6月为55K，99年6月为65K，三相线槽温度相差不大，线槽中部更高运行温度达到108.5C，定子线棒上游侧温度则应更高，长期温度过高将加快线棒上游槽部绝缘、半导体硅橡胶的老化。

　　在检修1号机组定子线棒绝缘击穿故障、检查2号机组定子线棒电晕、电腐蚀情况时，发现发电机通风系统挡风板密封不严，滑环室与密闭循环通风系统串通及组合轴承甩油，造成风量的损失，影响机组冷却效果；其二，当风机工作时，将滑环室碳刷粉尘吸入到发电机内并附着在定、转子表面，尤其是上游侧定子线棒的端部污染更加严重，影响到线棒端部绝缘电阻和散热，容易引起端部绝缘表面闪络；其三，粉尘颗粒及油雾污染空气冷却器通气侧的热交换面，降低了冷却效能；其四，由于空气中存在碳刷粉尘颗粒及挡风板密封不严，将造成空气冷却器的结露。

　　在定子线棒绝缘漆表面吸附的碳刷金属粉尘与油雾、水份形成了一层半导体的薄膜，这层薄膜和导线之间夹着绝缘，就象许多个电容器并联，在电压的作用下，线棒的端部形成电容电流回路，电容电流沿着绝缘表面由金属粉尘等组成的导电路径流向铁芯，易使运行中处于高电位的线棒槽口部位的半导体硅橡胶受热老化。

　　3.3外界影响因素自1998年3月，电站由主变35kV侧先后为引进的氯酸钾厂、冶炼厂、乳钢厂等非正弦负载进行供电，非正弦负载容量现已达16MW.1999年6月，1号机组出现了定子线棒主绝缘击穿故障；2年9月，2号机组定子线棒出现了明显的电晕、电腐蚀现象。2001年3月，湖南省电力试验研究所为本站做了谐波测试，试验报告显示从主变35kV谐波源负荷流人到发电机机端的5、7、11次谐波电流分别达到17. 0A，其中5、7次谐波电流按容量比分配B严重超标。而高次谐波电流在发电机定子中有集肤效应。在定子的双层绕组中，高次谐波电流主要在沿槽高度的上层线棒里产生附加损耗，并且比下层线棒里的相应附加损耗要大67倍，谐波磁场还在定子铁芯齿上产生附加损耗。高次谐波在定子上层线棒里产生的附加损耗亦是造成定子上层线棒上游端槽口附近区域的半导体硅橡胶老化的主要因素之一。此外，荦子线棒经常承受较大的谐波，有可能使绝缘空隙放电的次数大增，从而较快地缩短绝缘寿命。

　　综合以上分析及试验，认为造成本站定子上层线棒主绝缘击穿、产生电晕及电腐蚀的起因来自于各方热因素所引起的定子上层线棒上游端槽口附近区域的半导体硅橡胶的老化。当半导体硅橡胶老化后，线棒在槽内松动，线棒与槽壁间形成气隙，导致运行中处于高电位的线棒产生电腐蚀；线棒在槽内松动，在频繁开机并网或受到系统冲击时，冲击电流产生的大电动力将造成线棒在槽内振动，磨损线棒上游端槽口处防晕层、主绝缘，导致定子线棒在槽口部位起晕。而电晕、电腐蚀及高次谐波会进一步加快半导体硅橡胶、线棒主绝缘的老化并逐步腐蚀线棒槽部的中、下游部位，更终使在运行中处于高电位的上层线棒槽部上游端槽口处主绝缘击穿。

　　4处理方法及建议4.1处理方法4.1.1线棒、槽楔松动处理将槽楔打下，清理干净线棒上和槽间隙中老化的半导体硅橡胶。把干燥好的槽楔推入，以2.5kg/cm2的压力将新半导体硅橡胶从槽楔上的4个注射孔中注入，填满上层线棒侧面间隙、线棒与槽楔间隙，防止线棒在槽中振动。槽楔松动处理方法同线棒松动处理方法。

　　4.1.2铁芯齿部片间绝缘损坏的修复用未经淬火的小凿子轻轻撬开损坏的部位，注意不得伤及线棒绝缘。使用干燥洁净的压缩空气进行彻底清扫，必要时用四氯化碳清洗，然后在片间刷入绝缘清漆，待漆干后，对铁芯齿部进行整形。

　　4.1.3发电机油污、粉尘清洗使用专用篼压喷枪，用GX―25电器设备清洗剂喷洗定子线棒上、下游端部及定子、转子膛内的油污和粉尘，然后以白布条擦净，并对空气冷却器通气侧的热交换面进行清洗。

　　4.1.4定子喷漆清洗并处理结束后，视情况对定子以8037铁红聚脂绝缘覆盖漆进行全部或局部喷漆处理。

　　小2建议加强对机组的监督，缩短机组大、小修周期。

　　本站属径流式电站，按外方推荐机组小修周期为24年，大修周期为1014年。依照本站现场情况，电站机组检修规程规定，机组小修周期为半年，大修周期3年。根据电站机组存在电晕、电腐蚀，已危及主机安全运行的现状，应缩短机组大、小修周期，及时处理机组存在的线棒、槽楔松动和组合轴承甩油等问题，以确保机组安全运行。

　　尽快落实谐波治理方案并实施，尽可能杜绝主变35kV侧谐波源5、7、11次高次谐波对发电机造成的危害。

　　与本地电网协调好发供电的关系，加强对机组的优化调度。减少机组的起动次数，尤其是电晕、电腐蚀较严重的2号机组应尽可能不停机，加强对机组的巡视监察。

　　改进挡风板及滑环室的密封，保证机组在运行中补风干净和避免碳刷粉尘等进入到定子、转子膛内。

　　缩短对机组空气冷却器、除潮器、停机加热器的定期维护周期，使设备处于更优的工作状况。

　　C6）改善发电机灯泡头内通风，降低其环境温度。

　　5结束语目前，在国内引进奥地利ELIN公司灯泡贯流式机组的电站多达十余家，而机组定子线棒在十年间就出现两次主绝缘击穿故障的电站仅有南津渡电站。本文希望，通过对定子线棒主绝缘击穿成因的分析，能引起国内同类型电站对机组通风冷却、组合轴承甩油、定子和转子工作环境、非正弦负载影响等问题的重视，加强在发电机安全运行及日常维护方面的工作，延长机组的绝缘寿命。