電機定子槽內線圈接地故障快速查找方法

張 祺

（東方電氣集團東方電機有限公司，四川德陽 618000）

對于大型發電機設備而言，破壞性最大也是最危險的突發故障是定子繞組接地。定子繞組接地故障多是由于定子繞組絕緣在機組運行過程中長期受到電、熱、機械等多種因素的影響，絕緣性能被長期侵蝕而失效，最終導致定子線棒主絕緣失效。根據相關標準規定，由于發電機組停機大修過程中的電氣試驗指標，比運行時的電壓高，定子繞組主絕緣擊穿多是在驗收試驗中出現，偶有電廠機組定子繞組接地故障出現在運行過程中，主要是由于定子繞組機械磨損、絕緣缺陷、水路堵塞或者漏水、冷卻水結凍、金屬異物損傷、導電性污染物質引起絕緣燒蝕或長期運行絕緣水平顯著降低引起。

1 同步發電機定子槽內下層繞組接地點查找

同步發電機發生定子接地故障時，首要工作是盡快查明并定位故障點，才能根據具體故障情況分析得出維修方案。其中，定子線圈槽口、定子線圈端部等肉眼可見部位發生接地故障時，很容易辨識；當發生鐵心槽內定子線圈接地故障，特別是下層線圈，在未見線圈擊穿過程中產生的光、煙塵等特殊產物時，很難肉眼辨別出具體的接地故障點，此時就需要通過各種輔助試驗手段來精確查找接地故障點。業內常用的精確查找接地故障點位置的方法如下。

1.1 直流耐壓法

直流耐壓法就是使用常用的直流高壓發生器對定子繞組發生接地故障的相位持續施加直流高壓，直至發生波動或跳閘，如圖1所示。同時仔細監聽定子繞組的放電聲音并觀察是否有閃絡發光點。

圖1 定子繞組直流耐壓示意圖

由于定子繞組發生接地故障后，仍可能會存在部分殘余對地絕緣，具體表現在用500V以上兆歐表測試絕緣電阻時，測試值為0，而用100V以下兆歐表測試時卻有1MΩ以上。因此可以采用直流高壓發生器對繞組故障相施加高壓的方法確定故障點，但該方法對于大容量電機而言，由于電機尺寸較大，查找故障點存在觀察障礙，因此僅適用于小容量、小尺寸的電機。

1.2 直流沖擊試驗法

直流沖擊試驗法與直流耐壓法具有相似之處，使用的試驗設備完全相同，唯一區別是高壓接至電機繞組的接法不同，如圖2所示。

圖2 定子繞組直流沖擊試驗示意圖

試驗時，先將高壓電纜一端固定在電機正常相的繞組出線，再將高壓電纜的另一端固定在手持式高壓絕緣棒上。使用直流高壓發生器對電機正常相繞組施加一定數值的直流高壓，然后人為移動高壓絕緣棒，讓高壓電纜與故障相的出線接觸。使得施加于正常相的直流高壓瞬時對故障相絕緣進行沖擊，仔細監聽定子繞組的放電聲音并觀察是否有閃絡發光點。

該方法相比直流耐壓法，由于其施加的直流高壓數值較高，在將高壓轉移到故障相時，可以比較明顯地聽到放電聲音。同時由于是直流，且電流很小，對鐵心的損害可以忽略。但是，對于電機定子槽內下層線圈接地故障的查找，特別是臥式汽輪發電機（圖3）存在困難。觀察人員在定子兩端，不易觀察到故障點的閃絡發光點，只能通過放電聲辨別大致位置。對于立式機組，如混流式水輪發電機（圖4），采用此法查找接地故障點時，觀察人員可以在鐵心內膛移動，比較容易觀察到故障點的閃絡發光點，因此此法多用于水輪發電機接地故障點查找。

圖3 臥式汽輪發電機結構示意圖

圖4 立式水輪發電機結構示意圖

1.3 電流燒蝕法

電流燒蝕法的原理是在電機繞組接地故障相的出線與機座鐵心之間接一個40～100A的低壓大電流交流電源，火線接線圈繞組，零線接機座。為避免電源跳閘，火線上常串接一個燈泡作為保護電阻，如圖5所示。當接通電源后，大電流流經電機定子繞組接地故障點，可對接地故障點的絕緣進行電流燒蝕，同時發出可見光點、灰煙以及有機材料的焦糊味。由于沒有高壓，觀測人員只需做適當絕緣防護，即可進入膛內近距離觀測。

圖5 電流燒蝕法線路示意圖

電流燒蝕法使用設備簡單且可快速完成線路布置，對于故障點接地電阻非常小的情況，可以快速查找；但對于故障點仍殘余接地電阻，需要施加更高電流并經過一段時間燒蝕后，才能找出具體位置，若是保護不當，容易對鐵心造成損傷。

1.4 分段查找法

分段查找法就是針對故障相內的每一根線圈進行排除，通過查看繞組線圈電路連接圖，找出對應故障相的每根線圈，打開線圈兩端的并頭絕緣，斷開并頭電路連接處。使得故障相內線圈成為單根線圈，并逐個測試斷開端部電路連接后的每根線圈的絕緣電阻，即可找出發生接地故障的線圈，如圖6所示。

圖6 分段查找法結構示意圖

分段查找法最主要的工作也是最大的工作量是打開線圈端部，因此不屬于快速查找的范疇，但是相比其他施加高壓或者大電流方法，它對鐵心無損害，最為保守安全。

2 具體案例

2019年，西北某電廠一臺600MW汽輪發電機在大修前進行工頻交流耐壓試驗過程中，B相發生接地故障，由于大修周期緊張，隨即開展故障點的快速查找。事件發生后立即采用直流耐壓法查找故障點，電壓升至約1600V時設備過流保護跳閘，定子兩端的觀測人員并未觀測到任何聲、光及氣味等現象。隨即改用直流沖擊法，對A相施加22kV直流電壓后，試驗人員使用手持絕緣棒將旁邊正常相直流高壓引至接地相，定子膛內瞬間發出閃絡放電聲，隨即判定定子繞組槽內接地。但由于該定子長度超過6m，定子兩端的觀測人員因距離遠無法精確定位。

采用2500V兆歐表測量該相絕緣電阻值為0，采用500V兆歐表測試電阻值為103Ω，換用25V電阻表測試值為1.4kΩ。于是采用電流燒蝕法查找位置，考慮到電流燒蝕法施加的大電流可能會損傷鐵心，電流只施加到25A。1min時定子兩端的觀測人員并未觀測到任何現象，10min后依舊如此，為預防鐵心損傷，試驗終止。觀測人員進入定子膛內后，能聞到輕微有機物燒蝕的糊味，但無法準確定位。

至此，為快速定位，在電流燒蝕法的基礎上，通過改進觀測手段，創新改進出一種新的快速定位接地故障點的方法——遠紅外熱成像法。

3 遠紅外熱成像法

遠紅外熱成像法的基本原理與電流燒蝕法一致，改變了觀測手段，即使用低壓小電流交流電源（220V，25A）施加在定子繞組出線與機座鐵心之間。一段時間后，采用遠紅外熱成像儀對定子沿長度方向進行徑向360°溫度場掃描，通過掃描結果，找出與平均溫度相差5℃以上的溫度點，即為線圈接地位置，如圖7所示。

圖7 定子鐵心紅外溫度掃描

使用遠紅外熱成像法找出具體接地故障點后，斷開該故障點所在線圈兩端的并頭，使其與主電路斷開，重新檢測該故障相繞組的絕緣電阻，絕緣電阻恢復正常，再次檢驗了該方法的穩定可靠。

4 結束語

本文介紹了4種實際工程應用較廣的電機定子繞組接地故障點查找方法，以西北某電廠600MW汽輪發電機定子為案例，通過分析總結，創新優化出一種快速定位同步發電機定子槽內下層線圈接地故障點的遠紅外熱成像方法。通過甩開故障點線圈后的性能驗證結果表明：遠紅外熱成像快速定位方法具有設備簡便、耗時短、定位精準、對鐵心無損傷等優點，可在同步發電機定子上推廣應用，可靠性高。