水轮发电机定子绕组故障的特征、诊断及处理

水轮发电机定子绕组故障的特征、诊断及处理

黄振强

广西右江水利开发有限责任公司 广西南宁市 530029

摘要：水轮发电机是水电站中非常关键的动力设施，一旦出现故障问题就会严重影响水电站的正常运行，由此造成的经济损失也是不可估量的。水轮发电机组中常见的故障就是定子绕组断路故障、短路故障等，如何妥善应对这些故障，保障水轮发电机的正常运行，是水电站工作人员需要考虑的重要问题。通过对水轮发电机定子绕组的故障特征、诊断方法进行系统地阐述分析，并阐述一些行之有效的处理对策，有助于维护水轮发电机的正常运行状态，使得水电站发挥出更大的经济效益和社会效益。

关键词：水轮发电机；定子绕组；特征；诊断

一、水轮发电机定子绕组的故障分析

（一）定子绕组断路故障

水利发电机定子绕组断路是一种常见的故障问题，一旦出现电子绕组断路问题，那么水轮发电机的运作效率就会大打折扣，甚至会造成发电机停止运转的现象，影响电网供电能力的稳定性。造成定子绕组断路故障的原因是多方面的，具体内容如下所示：1）绕组线圈在绕线过程中，线圈高度超过了端板内径；或者线圈浸漆时，触碰到模具进而引发线圈中断问题；2）绕组线圈出现脱焊或者出现拉断问题，导致绕组中没有电流通过。绕线穿套管或者挑线时，用力过猛导致线圈断开；3）绕组接线过程中，由于人为操作不到、模具损坏而引发踏包问题，装机时转子和线棒之间存在摩擦，使得绕组被划伤、拉断；4）定子绕组整形尺寸不符合设计要求，如果绕组线棒尺寸太大，转子和线棒之间存在摩擦，使得绕组线棒损坏，最终引发断路故障。

（二）定子绕组短路故障

短路故障是因为绕组线圈内部存在绝缘损坏、电压击穿等问题，导致绕组无法正常运行。定子绕组短路故障发生之后，最明显的特征就是绕组电流变小、发电机温度异常升高，如果不及时处理，可能会引发严重的火灾问题。造成定子绕组短路故障的原因如下所示：1）线圈绕组的绝缘漆磨损严重，导致两个导线之间出现击穿电压，最终造成短路故障；2）绕组线圈接线时，漆包线和引出线连接部位绝缘保护不到位，出现裸露部分或者引出线存在破损问题，最终引发绕组短路故障；3）周围空气比较潮湿，导致绕组绝缘性能下降，引发短路故障；4）定子加工时出现线伤短路问题，例如加工工艺不达标、定子损伤等问题，极易引发短路故障。

（三）定子绕组击穿故障

水轮发电机在运作过程中，工况比较复杂，难免会出现定子绕组击穿故障，这与定子绕组短路故障存在诸多相似之处，但有一些差异之处，具体内容如下所示：造成定子绕组击穿故障的原因如下所示：1）定子绕组绝缘保护层破损，铁芯和绕组被电压击穿；2）定子绕组线圈中存在游离导线，使得绕组和铁芯之间发生触碰，进而引发定子绕组击穿故障；3）定子绕组中电流过大，导致绕组温度异常升高，绝缘层呈现出熔融状态，绝缘效果明显下降，进而引发定子绕组击穿故障。4）定子绕组之间的电气间隙非常小，引发绕组击穿故障。

二、水轮发电机定子绕组故障的诊断方法

从实践角度分析，水轮发电机机组运行过程中，定子绕组短路故障的占比比较大，很多水轮发电机都存在绕组匝间短路故障，因为这种故障不会对水轮发动机产生太大的影响，故障特征不够明显，导致很多绕组匝间短路故障都没有被及时察觉和处理。但是水轮发电机绕组长期处于短路状态，会导致转子一点接地或者两点接地，发电机励磁电流增大、温度上升、转子振动加剧等一系列不良影响。如果不及时处理，可能会引发更加严重的事故，甚至会对水轮发电机、外部电网造成巨大的威胁，因此做好水轮发电机定子绕组故障诊断工作尤为重要。

针对水轮发电机绕组匝间短路故障，诊断方法包括开口变压器法、气隙线圈探测法等等。

开口变压器法的灵敏度非常高，但是属于典型的离线检测手段，只有在关闭水轮发动机且抽出转子的情况下才能诊断，再加上这种诊断方法容易受到转子槽楔材料的影响，绕组旋转过程中产生的动态匝间短路无法被检测出来，影响了开口变压器法的使用频率。

气隙线圈探测法的诊断原理：该方法能够获取运行过程中同步发电机气隙中的转子漏磁场，通过对磁场波进行分析处理，从而判断转子绕组有没有匝间短路故障，还能精准显示短路故障的位置。但是这种方法也有一定不足，即气隙线圈探测只能在发动机空载、三相短路的情况下运行，在发电机带负载、电枢的影响下，探测结果不够精准。

三、水轮发电机定子绕组故障的处理手段

（一）电子绕组短路故障处理方法

相关人员应该利用机组大修、转子起吊的时间间隙，采用开口变压器法、气隙线圈探测法对发电机定子绕组进行全面细致地检查，检查内容包括定子铁芯完整情况、绕组端部绝缘情况、不同相线之间的绝缘层损坏情况等。如果发现匝间短路、绝缘层老化的问题，需要使用环氧云母带进行包扎，检查定子上、下段部绕组和钢箍之间的绝缘情况，在绕组和端箍之间加装绝缘实心垫，接下来用绝缘玻璃纤维绳进行绑扎处理。上述工作完成之后，接下来就是给定子绕组加热浸漆，在加热过程中还需要采取保温措施，避免定子绕组中的热量过快消散。当绕组温度升高到85-110摄氏度时涂抹绝缘漆，并定期测量发电机的定子绝缘电阻。当检测到绝缘电阻达到规程要求之后，可停止加热。待发电机温度降到正常温度之后，再次对发电机进行绝缘电阻测试、直流泄露测试等，确保所有测试数据都符合要求之后，再将水轮发动机投入运行。

（二）定子绕组击穿故障处理方法

为了降低定子绕组击穿故障的发生概率，相关人员需要做到以下几点：首先，相关人员应该以周、月、季为单位，对水轮发动机的灰尘、杂质进行全面清理，特别是那些游离状态的导线、金属丝等等，防止绕组和定子之间出现碰撞、摩擦等问题；然后，相关人员应该时刻关注水轮发动机的电阻、电流、电压、频率等关键数值，如果某个数值出现异动，则需要高度关注水轮机运作情况，如果故障短时间内消失可不予理会，如果电流、电压等数值持续异常，并呈现出恶化态势，则需要立即关闭水轮发动机，深入分析其中的根本因素，待故障问题解决之后再投入运行，防止水轮发动机带病工作，有效杜绝定子绕组击穿故障的发生。

总结

水轮发电机在装配、运行过程中，经常出现定子绕组断路故障、绕组匝间短路故障、定子绕组击穿故障，造成了极大的安全隐患。因此维护人员应该采用开口变压器法、气隙线圈探测法，全面检测水轮发电机定子绕组中的故障问题，并采取科学合理的解决办法，诸如重新涂刷绝缘漆、及时清理游离导线、加大水轮发动机监管力度等等，使得水轮发电机始终处于最佳运行状态。

参考文献

[1]边宏梁, 王立峰. 水轮发电机定子绕组故障的特征、诊断及处理[J]. 南方农机, 2023 (01): 31.

[2]韩鳞, 潘忠平. 水轮发电机定子绕组故障的诊断及对策[J]. 大电机技术, 2021 (11): 22.