定子绕组相间短路故障分析及处理

赵子超

摘要：对发电机定子绕组短路类型进行分析并分类；推出定子绕组相间短路电流的计算公式；建立仿真模型，通过图形和具体事故例子加深对定子绕组相间短路危害的认识和了解；以此为鉴，加强设备的日常巡检工作，避免定子绕组相间短路带给电网的危害。

关键词：水电站；空冷器；定子相间短路；绝缘击穿

0引言

供电回路在发生短路时阻抗突然减小会使回路中短路电流值增大，短路电流可能会超过额定电流的几倍甚至数十倍，短路电流的大小与短路点的位置也相关联，短路点距离发电机的电气距离愈近，短路电流越大。发电机故障在各种电站中均有发生，据统计发电机相间故障占发电机本体故障的47.06%；内部引线故障占发电机本体故障11.76%；接地故障占发电机本体故障的35.30%；其他故障占5.88%，由此可见相间故障的发生频率是发电机本身故障发生频率最高的。定子绕组的端部和槽部固定物会受到短路电流带来的电动力，巨大的电动力会将绕组及固定物变形乃至损坏；短路电流也可能会烧毁绕组和铁芯；也可能会损坏转子。

1发电机定子绕组短路类型

1.1定子绕组相间短路

发电机定子绕组内部故障中发生频率最高的是相间短路。由于短路接触点为不同相的线圈，因此接触点的压差较大，这是造成其故障发生频率高的直接原因。定子绕组相间短路对发电机危害极大。其短路电流值可达额定电流的10～20倍，强大的短路电流产生强大的电动力，使线圈变形位移，甚至使绝缘破裂，特别是定子绕组的端部更严重[2]。

1.2定子绕组匝间短路

发电机定子绕组匝间短路是同相绕组线匝之间的短路。短路时短路电流中会出现正序、负序和零序分量且各序电流相等，匝间短路时会破坏发电机三相对中性点之间的电动势平衡，匝间短路出现的负序分量会产生旋转磁场，会导致定子和转子的反复互相影响，产生一系列的谐波分量[6-9]。

1.3定子绕组接地短路

发电机在运行中或预防性试验时，定子绕组绝缘击穿，绝缘电阻下降或绝缘电阻到零的现象是发电机定子绕组接地故障。造成接地故障的主要原因有：定子整体绝缘水平下降；定子绕组绝缘受潮或外力。发电机定子绕组接地故障点可能发生在定子线棒，定子线棒的端部和定子线棒的槽部[6-9]。

2发电机定子绕组短路电流的计算

短路电流由直流分量和交流分量两部分构成，定子三相短路后励磁电流中会出现了交流分量，它最终衰减为零，衰减时间常数与定子短路电流直流分量相同[2]。交流分量的表达式为

定子回路的等效电抗取决于走直轴主磁路的电枢反应磁通和漏磁通。短路瞬间定子回路出现三相交流电流，其合成磁动势企图形成穿过主磁路的磁通，但转子上的励磁绕组为保证自身磁链守恒会感生电流，该电流相应的磁动势就抵制电枢反应磁通的穿入，迫使后者走励磁绕组外侧，这表示电枢反应磁通就是励磁绕组外侧的漏磁通（有负号）。与短路稳态时相比，短路瞬间的电枢反应磁通的磁路变为励磁绕组漏磁路径、气隙和定子铁芯，磁阻增大，磁导减小，相应的定子电枢反应电抗减少，加上定子漏电抗，每相定子的等值电抗为

4故障案例

某电站水库总库容2.94亿立方米，正常蓄水位为1856.00米，最大发电水头73米，总装机容量1020兆瓦。电站采用发电机与主变压器单元接线方式，以330伏电压接入系统，3／2断路器接线方式，出线二回，进线一回。发电机额定容量377.78MVA；额定功率340MW；额定电压18kV；额定功率因数0.9(滞后)；额定频率50Hz。

4.1事故发生前状态

主系统：330kV主系统标准运行方式。系统电压353.03kV,系统频率50.06Hz。

机组：1号机组运行，3号机组备用，2号机组临检（开机空载态），全厂有功功率300MW，无功40Mavr。

4.2事故经过

2015年12月4日1时50分，运行值班人员巡回发现2号机组（停机备用态）风洞门口有积水，检查风洞内水雾较大，立即关闭2号机组技术供水阀门，发现3#空冷器（上游侧）自动排气阀处根部断裂、刺水。4时35分，进入风洞检查：发电机转子上平面无水迹，线棒上端部无水迹，3#空冷器下部有积水，3#空冷器上部发电机盖板有水珠，发电机风洞下机架室排水沟有积水。对积水部位进行清理后，将3#空冷器排气阀断裂阀体拆除，排气孔用堵丝封堵。对其他空冷器自动排气阀进行了全面检查，未发现异常，经通水试验各部无渗漏。2号机组停机转检修态，检修人员使用兆欧表（2500V档位）进行定子绝缘测试：吸收比358/79.1=4.5，极化指数1400/358=3.9；使用兆欧表（500V）进行转子绝缘测试，转子绝缘对地2000兆欧。判断定子、转子绝缘合格；机组进行递升加压实验，按照10%额定电压给定，逐步增至100%，试验过程正常；随后根据监控系统上位机发来的动作信息，工作人员检查号机组风洞有绝缘味，管路未发现漏水点。经初步检查，发现456#、457#定子线棒下端部绝缘盒爆裂，3#励磁功率柜输出电流表烧损，转子电压测量保险熔断，分析判定为发电机定子A、C相间短路故障。

4.3设备检查情况

事件发生后，工作人员对2号机组一、二次设备、励磁系统、保护装置进行了全面检查。检查发现：

发电机456#、457#定子线棒下端部绝缘盒击穿（图4）；线棒下端部及并头块烧损（图5）；465#、466#、467#定子线棒下端部绝缘盒有裂纹（图6）。灭磁盘柜有24组氧化锌灭磁电阻未接入回路。

4.4故障处理及原因分析

电站立即成立抢修组，制定抢修技术方案及处理意见，对2号机组进行抢修工作。首先进行了455#、456#、457#、458#、465#、466#、467#定子线棒下端部绝缘盒的拆除和更换。并重新绝缘灌注胶。完成456#、457#定子线棒下端部烧损并头块补焊工作。清扫定子线棒上下端部和发电机定转子气隙。完成了3#、6#、60#磁极线圈的修复和更换，试验合格后回装到位。厂家技术人员对励磁系统进行了全面检查、清扫和试验，对损坏的元器件、表计进行了更换，将氧化锌灭磁电阻全部接入灭磁回路，各组阀片V/A特性试验、转折电压符合规范要求；对发电机保护装置进行了全面检查和校验。将2号机转子一点保护A套投入，按照各种规程要求，进行了定子、转子电气试验等试验，确保机组恢复正常。

经现场实物调查，3#空冷器断裂的自动排气阀为铜质材料，排气阀根部壁厚为2.4mm，除去螺纹深度，实际壁厚仅为1.2mm，且其断裂部位存在陈旧性损伤痕迹。2号机组456#、457#定子线棒下端部绝缘盒灌注胶未填筑充实，绝缘盒绝缘性能降低，存在安全隐患。2号机组受潮后，发电机开机空转干燥，由于干燥时间较短且定子绕组温度较低，定子、转子电气绝缘性能恢复效果不理想，且干燥后仅对发电机进行了对地绝缘测试，对定子相间绝缘、转子绝缘降低情况考虑不周。氧化锌灭磁电阻有24组未接入灭磁回路中，影响转子回路过电压的抑制能力。

3#空冷器自动排气阀断裂刺水，风洞内部湿度增大，造成定子绝缘水平下降，定子线棒456#、457#被绝缘击穿短路是导致事故发生的直接原因。而发电机干燥时间较短且定子绕组温度较低，定子、转子电气绝缘性能恢复效果不理想，在干燥后仅对发电机进行对地绝缘测试，对定子相间绝缘、转子绝缘情况分析判断不够，考虑不周；为按照标准试验项目进行氧化锌灭磁电阻的检查和测试，对灭磁电阻接入情况不掌握则是事故发生的间接原因。

5结论

总结定子相间短路的原因主要有：

（1）油污和湿度等因素造成的绕组整体绝缘水平逐渐下降可能会引起定子绕组相间短路。

（2）故障部位留存有异物等一系列外部原因也会引起定子绕组相间短路。

（3）部分固定零件脱落、开焊等也都可能造成定子绕组相间短路故障。

本文中的这起事故应该引起足够的认识，虽然没有对电网的稳定产生影响，但是也造成了在人力物力上的损失。通过这次事故我们发现发电站不仅在日常的运行和维护方面需要我们细心认真，而且在管理方面也存在一定的问题。防就显得十分重要。

参考文献

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