王際華 王付鋼 呂季平

（華潤電力（海豐）有限公司，廣東 汕尾516468）

0 引言

火電機(jī)組的“六大風(fēng)機(jī)”包括兩臺引風(fēng)機(jī)、兩臺送風(fēng)機(jī)和兩臺一次風(fēng)機(jī)。當(dāng)其中任何一臺風(fēng)機(jī)的高壓電機(jī)發(fā)生故障時，整臺機(jī)組出力受阻至少50%，甚至?xí)l(fā)生跳機(jī)事件，嚴(yán)重影響了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定運行，由此導(dǎo)致的突然甩負(fù)荷也會對電網(wǎng)造成一定威脅。

1 000MW機(jī)組通常采用10kV高壓廠用電系統(tǒng)，基于啟動電流過大對廠用電系統(tǒng)電壓及其他廠用負(fù)荷影響的考慮，200kW以上的電動機(jī)一般采用高壓電機(jī)。高壓電機(jī)在高電壓、大電流下高速旋轉(zhuǎn)，無論在機(jī)械方面還是電磁方面，都易產(chǎn)生一系列的問題。諸如繞組匝間短路、繞組接地（相間）短路、引線故障、支柱絕緣子閃絡(luò)等電氣故障均為設(shè)備日常運行維護(hù)中發(fā)現(xiàn)的主要問題。本文以一起大型火電廠一次風(fēng)機(jī)電機(jī)故障為例，分析問題產(chǎn)生的原因，并提出幾點預(yù)防此類高壓電機(jī)故障的方法。

1 故障現(xiàn)象及故障原因分析

1.1 保護(hù)動作分析

某3 150kW一次風(fēng)機(jī)電機(jī)在負(fù)荷電流為131.8A運行時發(fā)生故障，DCS顯示定子各繞組溫度正常，10kV綜保接線及動作信息分別如圖1、表1所示。

圖1 一次風(fēng)機(jī)電機(jī)保護(hù)裝置接線圖

表1 10kV一次風(fēng)機(jī)電機(jī)故障發(fā)生時保護(hù)動作信息

當(dāng)短路發(fā)生時，縱差和過流Ⅰ段保護(hù)同時動作，切除故障。由于兩個保護(hù)所接CT不同，短路時CT的飽和特性略有差異，因此，二次電流值相差0.32A，短路電流約為7.5kA。

縱差保護(hù)動作意味著故障發(fā)生在電機(jī)高壓側(cè)進(jìn)線CT與中性點側(cè)CT之間，從10kV配電室至電機(jī)就地的供電電纜不在故障區(qū)間。作為高壓電機(jī)的主保護(hù)，當(dāng)保護(hù)區(qū)間內(nèi)（發(fā)電機(jī)引線、定子繞組等）發(fā)生相間短路時，縱差保護(hù)動作切除故障；若發(fā)生單相接地，零序電流保護(hù)靈敏度更高，動作于斷路器跳閘。由此可見，電機(jī)引線或定子繞組發(fā)生相間短路的可能性較大。

1.2 高壓試驗分析

經(jīng)過現(xiàn)場觀察，電機(jī)高壓側(cè)接線箱被短路能量沖開并嚴(yán)重變形。內(nèi)部檢查時發(fā)現(xiàn)，電機(jī)U相引線斷裂，V、W兩相銅排表面燒傷并變形，支柱絕緣子局部受損。為判斷電機(jī)內(nèi)部定子繞組絕緣是否受到損傷，待電機(jī)熱量消散后，逐相繞組進(jìn)行直阻測量、絕緣電阻測量及耐壓試驗，分析如下：

（1）從表2數(shù)據(jù)可知，三相繞組直阻幾乎完全平衡，且經(jīng)過溫度換算后與出廠數(shù)據(jù)、交接試驗數(shù)據(jù)基本相同，排除了三相繞組發(fā)生匝間短路的可能性。

表2 故障后三相繞組相間直流電阻實測值

（2）絕緣電阻測量可判斷電機(jī)絕緣中是否存在諸如材料受潮等整體性缺陷。將非測試兩相短接并接地，利用兆歐表對測試相進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)絕緣電阻均超過10GΩ且數(shù)值平衡，初步排除了電機(jī)本體發(fā)生相間短路或相對地短路的可能性。

（3）電機(jī)出廠試驗電壓值為（2Un＋1）kV，以10kV電機(jī)為例，應(yīng)進(jìn)行21kV交流耐壓試驗，現(xiàn)場交接試驗按照出廠值的80%進(jìn)行，即16.8kV。與局放、絕緣電阻、介損等預(yù)防性試驗不同，交流耐壓試驗為破壞性試驗，能發(fā)現(xiàn)絕緣材料中一些較大的集中性缺陷，但當(dāng)試驗次數(shù)過多時，絕緣材料由于“累積效應(yīng)”的原因會產(chǎn)生一定程度的損傷，從而加速絕緣老化。因此，基于已經(jīng)進(jìn)行的耐壓試驗次數(shù)、試驗電壓值、現(xiàn)場試驗環(huán)境等多方面考慮，決定采用諧振耐壓設(shè)備以16kV進(jìn)行試驗，試驗持續(xù)1min，均未出現(xiàn)絕緣擊穿現(xiàn)象。

綜上所述，一次風(fēng)機(jī)電機(jī)的本體絕緣沒有損傷。因此，高壓側(cè)接線箱內(nèi)成為重點懷疑的故障區(qū)域。

1.3 故障點定位及故障原因分析

接線箱中用于支撐母排的支柱絕緣子采用硅橡膠材料，且由于沿海地區(qū)污穢嚴(yán)重，需要按照Ⅳ級污區(qū)中規(guī)定的爬電比距進(jìn)行絕緣子爬電距離的選擇?；诙ㄐ彤a(chǎn)品的考慮，可采用經(jīng)過海拔修正的高原型10kV絕緣子代替。硅橡膠材料具有優(yōu)良的憎水性和耐污閃性能，一旦發(fā)生絕緣對地閃絡(luò)，絕緣子表面會由于漏電起痕而產(chǎn)生燒傷的溝道。從現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，絕緣子明顯是由于外界應(yīng)力導(dǎo)致的局部破裂，非電弧貫穿性損傷，且零序電流保護(hù)沒有動作，因此可以判斷，用于支撐母排的支柱絕緣子非故障的誘因。

至此，斷裂的U相高壓引線成為關(guān)注的重點，結(jié)合故障錄波（圖2）中10kV母線三相電壓值及零序電壓值，對故障持續(xù)過程及產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步的探尋。

圖2 故障錄波信息

如圖3所示，從引線斷裂的部位可以看到，斷裂處絕緣由于短路電流的熱效應(yīng)而燒焦變形，V、W兩相銅排局部變形且表面有燒傷痕跡，V相銅排側(cè)傾于W相銅排方向。可以斷定，U相引線的斷裂處是整條引線的絕緣薄弱環(huán)節(jié)，當(dāng)U相引線與V相銅排間施加10kV工作電壓時，引線線芯表面會形成較強(qiáng)的電場，在交流電場作用下，電場強(qiáng)度按容性分布，由于空氣的介電常數(shù)遠(yuǎn)小于絕緣材料的介電常數(shù)，一旦絕緣層中存在集中性缺陷，小氣隙會由于場強(qiáng)的集中而不斷劣化。除此之外，電機(jī)在高速運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生大量的熱，高壓側(cè)接線箱處于相對密閉的環(huán)境，熱量的累積會導(dǎo)致箱體內(nèi)氣體溫度升高。隨著溫度的升高，高場強(qiáng)下引線絕緣的熱老化和引線與相鄰相銅排之間氣體絕緣熱游離逐漸加劇，在電機(jī)運行時振動力的助增下絕緣亦產(chǎn)生機(jī)械疲勞，當(dāng)U相引線絕緣薄弱部位劣化至無法承受運行電壓的作用時，與V相銅排發(fā)生兩相相間短路，產(chǎn)生零序電壓。電弧產(chǎn)生的高溫使V、W相之間空氣溫度迅速增加，加之短路電動力使得V相支柱絕緣子受損，V相銅排側(cè)傾于W相，降低了相間距離，增大了相間場強(qiáng)，導(dǎo)致V、W兩相間空氣的熱游離，在故障持續(xù)第4.6ms時，形成了U、V、W三相短路，零序電壓消失。在短路電流熱積累的作用下，故障發(fā)生49.4ms時，U相引線導(dǎo)體熔斷并遠(yuǎn)離V相銅排，位置逐漸趨近于W相銅排。V相銅排與U、W相之間熄弧，斷裂的U相引線與W相銅排之間電弧持續(xù)燃燒，直至故障發(fā)生第55.2ms時繼電保護(hù)動作，切除U、W兩相短路。

圖3 高壓側(cè)接線箱故障后狀況

2 高壓電機(jī)絕緣隱患預(yù)防措施

由于高壓電機(jī)內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，在電場、磁場、機(jī)械力的聯(lián)合作用下高速旋轉(zhuǎn)，故電機(jī)絕緣故障率高于變壓器等靜止設(shè)備，特別是在當(dāng)今高壓變頻器大量應(yīng)用的環(huán)境下，電機(jī)的絕緣問題成為了制約其穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素。在日常的運行維護(hù)中，可適當(dāng)采取以下措施，將故障限制在初始階段，防止短路跳閘事故的發(fā)生。

（1）加強(qiáng)電纜引線絕緣。由于高壓絕緣引線工作于機(jī)械振動狀態(tài)，較宜采用具有較高柔韌性的硅橡膠電纜，且電纜截面可較計算截面大一級選取以降低導(dǎo)體表面的場強(qiáng)。南方沿海區(qū)域，夏季室外氣溫高達(dá)近40℃，且接線箱處于相對密閉的環(huán)境中，高溫是導(dǎo)致絕緣材料熱老化的主要原因。因此，可使用H級絕緣的引線電纜，加裝相同絕緣等級的引線護(hù)套，以補(bǔ)強(qiáng)引線處絕緣。為了避免銅排之間的相間短路，可在相間加裝具有一定厚度的環(huán)氧樹脂隔板并固定于接線箱箱體。接線箱采用下進(jìn)線方式，避免雨水的侵入影響絕緣性能。

（2）加強(qiáng)支柱絕緣子絕緣。支柱絕緣子通常采用陶瓷、環(huán)氧樹脂、硅橡膠以及新型DMC等材料。無機(jī)陶瓷和環(huán)氧樹脂具有較高的抗拉、抗壓性能，但無法承受較大的振動和剪切力。硅橡膠絕緣子不僅具有優(yōu)良的沿面性能，而且不會因為正常運行時的機(jī)械振動發(fā)生斷裂。由于沿海區(qū)域高鹽密、高污穢，可在硅橡膠表面涂刷PRTV以增強(qiáng)抗?jié)耖W和污閃能力。

（3）局部放電監(jiān)測。絕緣材料的老化過程通常都伴隨著局部放電量的增加。在定期巡檢過程中，利用局放定位設(shè)備對高壓電機(jī)的高壓側(cè)接線箱等部位進(jìn)行局部放電量監(jiān)測，當(dāng)某臺電機(jī)放電量出現(xiàn)明顯增高時，需加強(qiáng)監(jiān)視，在必要的情況下對此設(shè)備進(jìn)行停機(jī)檢修。

3 結(jié)語

高壓電機(jī)絕緣故障嚴(yán)重影響了電機(jī)及發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運行，在日常維護(hù)中，應(yīng)加大巡視力度，采用測量局放量、熱成像儀監(jiān)測等方法尋找放電點。在機(jī)組停機(jī)檢修時，通過采用增加相間絕緣隔板、加裝高絕緣等級引線護(hù)套、更換優(yōu)質(zhì)絕緣子或涂刷PRTV等方法加強(qiáng)電機(jī)高壓引線部分的絕緣，避免此類問題重現(xiàn)。

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