摘要：汽轮发电机是火力发电厂的核心设备之一，其运行状况直接关系到整个电力系统的运行安全与稳定，其在电力系统中所起的作用与重要性不言而喻。因此，对汽轮发电机的故障分析与诊断研究具有极其重要的意义，汽轮发电机故障诊断技术是一项较为复杂的系统工程，涉及到较多的学科领域，且与现场实践经验联系密切。本文以某电厂600MW水氢氢汽轮发电机发生的动态绝缘故障为研究对象，引用故障模式与故障树分析法，对发电机转子对地绝缘故障发生前后的客观状况进行深入分析，找到故障发生的真正原因，以期研究结果对汽轮发电机的故障诊断与防治有一定的实用价值。
关键词：发电机转子 动态绝缘 槽楔垫条 通风孔 金属丝 导电污物
1案例背景
2015年7月，我司承担某电厂#1机组（600MW）汽轮发电机本体（机务部分）A级检修项目；电气部分（含发电机）则由另一家乙公司负责。A修工程的过程控制及质量验收均符合行业规定标准，其中转子各项电气预防性试验均合格。A修工程于当年9月份结束，机组启动顺利且连续安全稳定运行近9个月。2013年4月28日，机组进行计划性小修（C级检修），检修计划不含发电机本体。检修项目由丙公司负责实施，C修期间多次测量转子对地绝缘，未见异常。5月31日，开始进行C修机组调试启动前的准备工作。6月5日，发电机定子膛内注满氢气至额定状态，转子处于盘车状态下，测得转子对地绝缘为320MΩ，合格。6月6日上午9点，复测转子（已连接励磁排）的对地绝缘为1.7 MΩ，合格；10点30分左右再测转子对地绝缘，却突变为零！汽轮发电机冲转起来后，复测转子（已连接励磁排）对地绝缘，仍为零，呈明显的动态绝缘状态。最后，将发电机转子抽出进行故障排查，确定故障点在31-2槽楔下的楔下垫条风孔内表面位置，同时发现转子两端的部分槽楔有轻微锈蚀和污物。随后实施转子故障处理，机组于2016年7月19日正常并网运行。
发电机非计划性停运造成电厂一定程度的经济损失，因参与了设备投保，电厂的经济损失得到保险公司赔付。电厂和保险公司出于工作上的需要，极力想找到设备故障的原因。虽然一直没有直接参与到发电机本体检修项目，但出于战略合作考虑，我司组织技术专家组专门深入研究设备故障原因，研究结论科学严谨，经受住了设备厂家等单位技术人员的推敲质疑。
2故障发现及处理过程
根据驻厂实地调查，查阅相关方提供的正式文件资料，故障发现及处理过程，梳理如下：
1）2013年4月28日，1号机组进行计划性C级检修，检修计划不含发电机。
2）5月2日至6月5日期间，多次测量发电机转子对地绝缘，未见异常。
3）6月6日上午约10：30，测量转子对地绝缘（连接励磁母线）为零，抽出碳刷后单独测量转子对地绝缘仍为零。多次对转子进行外部清洁、绝缘烘潮处理后，测量转子对地绝缘仍为零，但用万用表测量转子对地绝缘则为23MΩ。
4）6月9日上午，进行转子冲转下的绝缘情况检查。在各转速0～200～400～800～1200～2000～3000～2000～1200～800～200r/min时，用500V绝缘电阻表测量绝缘值为零，用万用表测量转子对地绝缘为100kΩ左右。但在盘车状态下，用500V绝缘电阻表测量绝缘值为260MΩ。
5）6月9日晚，再次进行转子冲转，在各转速0～200～400～800～1200～2000～3000～2000～1200～800～200r/min时，用500V绝缘电阻表测量绝缘值为零，用万用表测量转子对地绝缘为100kΩ左右。但转速低于50r/min后，转子对地绝缘电阻为80～100 MΩ。降速至盘车状态下时，用500V绝缘电阻表测量绝缘值为260MΩ，与前一次冲转时转子绝缘情况一致。
6）6月17日，抽出发电机转子，在膛外静止状态下进行故障部位查找。先用500V绝缘电阻表测量绝缘值为31.4 MΩ，再用5000V绝缘电阻表测量绝缘值为74kΩ，转子对地绝缘未发生击穿，后用500V绝缘电阻表复测绝缘值为6MΩ。
7）6月18日，给转子对地绝缘施加交流电压，当电压达到1000V时，转子绕组对地绝缘发生放电击穿，击穿位置在励端31槽第二根槽楔的风孔处，如图1所示。
8）6月23日，拆除转子两端护环，检查发现转子两端的部分槽楔有轻微锈蚀现象。6月24日退出转子槽楔后，发现31-2槽楔下的楔下垫条风孔内表面有明显的放电痕迹，如图2所示。
9）实施故障部位处理，打磨槽楔铁锈，清理转子槽内污物。按相关要求完成一系列处理工序和试验检验后，转子对地绝缘故障消除，发电机于2013年7月19日并网发电。
3故障特征及原因分析
3.1故障特征
根据上述故障查找及处理过程，发现转子对地绝缘故障具有以下特征：
1）发电机停机检修结束后、准备起机时，突然发生转子对地绝缘故障。但万用表测量接地电阻值仍有23MΩ，由此初步判断不是金属性短路接地。根据冲转后转子在盘车状态下，其绝缘电阻又恢复正常，可判断最初在盘车状态下的绝缘为零的缺陷是一种非稳定状态，它随转子冲转发生了变化。
2）转子冲转过程中转子绝缘电阻为零，但用万用表测量转子对地绝缘仍有100kΩ左右，盘车状态下转子绝缘电阻又恢复正常，呈动态变化现象。
3）在转子抽出并处于静态时，转子对地绝缘电阻正常，且在5000V直流高电压作用下未发生绝缘击穿，说明此时转子对地绝缘强度较好。
4）故障位置在励端31槽第二根槽楔的风孔处，且放电痕迹从垫条一侧的转子线棒延伸至垫条另一侧的槽楔，贯穿了整个风孔的内表面。
5）查证事件发生那段时间的当地天气情况，多是夏季潮湿阴雨天气。如现场防潮密封措施不严，也会导致转子受潮局部薄弱处氧化降低绝缘性能。
3.2故障原因分析方法
大型汽轮发电机典型故障的统计分类方法有多种，最为常用的是按照故障发生部位或者按照故障原因而加以分类［1-4］。CIGRE（国际大电网会议）的有关文献推荐，将发电机故障按照电气与机械故障两大类型进行组织分类［5］。
针对这些发电机故障进行故障分析的主要目的就是分析其故障机理，找到并总结故障发生的主要原因以及关键因素，从而为发电机故障诊断专家系统的研究提供诊断规则来源和理论基础。
根据汽轮发电机故障分类示意图，可以明确此次设备故障为电气故障。
根据转子系统故障模式与故障树，可以明确原因的几种可能为：匝间绝缘制造质量低，匝间垫条窜动移位，槽衬热变形堵塞风路，水、导电粉尘焊渣，制造或运输造成缺陷，转子制造质量不良，绕组端部绝缘有缺陷。
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3.3故障原因范围
技术专家组仔细核对汽轮发电机设备出厂及运行检修调试等涉及相关的记录档案，将原因范围缩小为以下三种可能：
1)转子绕组与槽壁或槽楔间的绝缘材料性能劣化被击穿；
2)绝缘材料局部磨损变薄被击穿；
3)绝缘材料表面附着有一定导电性能的异物，在施加较高电压时，最终发生对地放电的现象。
3.4故障原因分析
1)原因为“转子绕组与槽壁或槽楔间的绝缘材料性能劣化被击穿”的可能性分析
发电机在上次大修后至本次停机C修前一直正常运行，在C修（检修计划不含发电机）结束前的检修期间，转子绝缘均正常；转子接地绝缘故障最初是在C修结束、准备起机时突然出现的，之前仅用500V绝缘电阻表测量过几次转子绝缘电阻；对转子线棒和转子槽楔而言，楔下垫条风孔内表面为垫条固体绝缘和空气绝缘的分界面，放电痕迹位于垫条风孔内表面，而非垫条固体绝缘内部发生击穿；因此可以排除转子绝缘垫条本身绝缘性能突然劣化的可能性。
2)原因为“绝缘材料局部磨损变薄被击穿”的可能性分析
放电痕迹所在的绝缘垫条风孔只是用于通风，风孔的内表面并不与其它物体接触，垫条风孔内表面就不会发生异常磨损；因此，排除了垫条风孔该部位因运行磨损而导致绝缘薄弱被击穿的情况。
3)原因为“导电异物引起”的可能性分析
放电痕迹从转子线棒沿楔下绝缘垫条风孔内表面至转子槽楔，符合转子线棒在1000V交流电压下沿垫条风孔内表面对槽楔形成沿面放电的特征，可以得到结论：正是由于上述第三种原因才导致了本次转子绕组的绝缘故障。准确地说，楔下绝缘垫条风孔内表面附着有一定导电性能的异物，才是导致转子绝缘放电击穿的真正原因。
从放电痕迹及通道的长度来看，异物不外乎两类情形：一类是金属丝，一类是具有一定导电能力的污物（如油污、粘的粉尘或其他异物等）。
① 异物为“金属丝”的可能性分析
从前述的检查过程来看，不论是在最初盘车状态下，还是在后来的转子冲转过程中，用绝缘摇表来测量转子绝缘电阻时：“虽然测量值为零，但在用万用表来测量时，其对地阻值仍然很大，分别为23MΩ（静态下）和100kΩ左右（冲转中）”。这充分说明，该转子对地绝缘故障不是金属性短路接地故障。即：绝缘垫条风孔内表面附着的异物并不是金属丝。原理是：如果该处是金属丝引起转子绕组对地短路，那么用万用表来测量其对地电阻时，其阻值将非常小，一般仅为几欧姆或零点几欧姆。即使该处的金属丝并没有直接将转子绕组与槽楔短接，而是与直接短接点之间有一个很微小的间隙，那么，根据高电压理论，针对棒-板空气绝缘间隙而言，当施加直流电压5000V为负电压时，要能保证该间隙不被击穿，该间隙宽度至少达到0.5cm；当施加直流电压5000V为正电压时，要能保证该间隙不被击穿，该间隙宽度至少达到1.0cm。而查看本次故障烧损部位的垫条风孔内表面，它是典型的沿面绝缘间隙。进一步从放电路径痕迹来分析观察，放电路径贯穿了垫条风孔的内表面，说明此处污物的长度已达到了垫条风孔斜面（即内表面）的长度；从放电痕迹来看，应为污物的灼热、碳化放电、并进而烧损放电通道上的垫条表面所留下的痕迹而非金属丝短路的放电痕迹。
再从检修工艺方面进行考究分析：查阅汽轮发电机检修调试等记录档案（如：#8号轴承转子轴与油挡间隙等），均符合规定要求，调阅汽轮发电机运行曲线，未发现异常情况；这些客观情况共同排除了设备自身因高速转动碰磨产生金属物的可能性。
若异物为金属丝，即为铝质材质油档（查阅检修数据此处实际间隙符合标准）产生的金属丝，本身是较软材质，实际中，汽轮发电机组以3000转/秒的高转速运行，风扇亦跟随着高转速运转而形同“一堵坚实的墙”；即便油档意外产生铝质软金属丝，也根本不可能穿越这堵如此高转速的“坚实墙”；且穿越过程中因被阻挡肯定会产生高度剧烈的撞击现象，进而给风扇表面造成明显的撞击痕迹；而实地检查风扇表面却没有呈现任何冲撞划痕。
综上所述，不管是从电学原理、还是物理机械运动或结构原理多角度分析，均可推断出“绝缘垫条风孔内表面附着的异物不是金属丝”这一结论。
② 异物为“导电污物”的可能性分析
既然垫条风孔内表面附着的异物不是金属丝，那就只能是具有一定导电能力的“污物”了。从2016年6月6日上午10：30至2013年7月9日的数次绝缘电阻测量结果来看，此处的绝缘缺陷属于一种不稳定的动态绝缘缺陷，这与具有一定导电能力的污物的非金属性及不稳定性是相吻合的。另外，在高电压的作用下，由于此类污物的导电能力往往会大大增强，相应地，其绝缘性能会急剧下降。这一特性与施加直流5000V高电压后，其绝缘电阻值从31.4 MΩ骤降为74kΩ的现象也是吻合的。而这种现象，如果从金属丝的角度去考虑，则是完全无法解释的。分析至此，可以肯定：存在于垫条风孔内表面的具有一定导电性能的污物，才是引起本次1号发电机转子对地动态绝缘故障的根本原因。
3.5提示与建议
1）测量转子绕组的绝缘电阻时，应采用1000V的直流电压进行测量；在进行交流耐压试验时，可用直流2500V测绝缘电阻来代替；而此次在查找转子接地故障点时，厂方却采用了施加直流5000V的高电压进行试验，远远超过2500V的限值，其做法不符合规程。5000V试验电压，不仅缺乏相关试验规程的支持，而且容易对本无绝缘缺陷的转子，造成人为地某些绝缘损伤。
2）发电机组在实际运行中，应注意控制好油压差；在检修中则应做好定子膛内的全面清洁等工作，防止油雾及其他污物侵入转子内部，避免危及转子绕组的绝缘，确保发电机转子的安全运行。
结论
通过多角度、多学科原理和物理基理的深入分析研究，得出以下结论：转子励端31槽第二根槽楔下方的绝缘垫条风孔内表面附着的具有一定导电性能的污物，是引起本次1号发电机转子对地绝缘故障的根本原因。研究结论科学严谨，得到厂方、设备制造厂家和保险公司的一致认同，厘清了设备事故的真正起因及责任；同时为此类牵涉到多领域、多学科的实际技术问题的解答提供了颇具价值的学术参考。
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作者简介：
程禹年，男，广东阳江人，高级工程师，学士学位，从事的工作或主要研究方向：火电厂检修维护技改。
付腾，男，江西高安人，工程师，硕士学位，从事的工作或主要研究方向：火电厂检修维护技改。394498945@qq.com
论文作者:程禹年,付腾
论文发表刊物:《电力设备》2017年第21期
论文发表时间:2017/11/29
标签：转子论文; 故障论文; 金属丝论文; 汽轮发电机论文; 发电机论文; 测量论文; 电阻论文; 《电力设备》2017年第21期论文;