【浙江水利水电专科学校】【案例】【天生桥一级水电站1号发电机事故分析_水电站】.doc_大学文库

天生桥一级水电站1号发电机事故分析张兴栋，黄少洪，肖克平2 (1.天生桥一级水电开发有限公司，广东广州510008： 2.天生桥一级水电开发有限公司水力发电厂，贵州天生桥562400) 摘要：分析了天生桥一级水电站1号发电机定子线棒绝缘击穿事故及其原因，提出了加强施工现场管理：改进发电机定子绕组分支间的连接结构：在发电机加装在线监测装置等几项预防措施。这些措施对加强设备管理有现实意义，可供同行借鉴。关键词：发电机：定子绕组：线棒：绝缘击穿：事故天生桥一级水电站位于南盘江上游，贵州安龙和广西隆林的界河上，装有4台单机容量为300MW的水轮发电机组，发电机额定电压为18kV,额定电流为10997A,绝缘等级为 F级，励磁方式采用自并激晶闸管励磁，由哈尔滨电机厂有限责任公司设计制造。电气主接线采用机组一主变压器一线路的接线方式，机组的并网点为主变压器高压开关。1~4号机组分别于2000年12月、2000年9月、1999年12月和1998年12月投产，2002年10月13 日，1号发电机在正常运行中突然发生事故，前后运行不到2年。 1事故经过及损坏情况 1.1事故发生事故前，1号机组带有功负荷260MW,无功负荷30MW,正常运行，定子线圈温度、定子电流、机组振动摆度等运行参数无异常指示。2002年10月13日17时57分，机组突然发生事故，继电保护动作，跳开主变压器高压开关及机组励磁开关，造成机组完全停机。 1.2事故结论当时计算机上位机出现下列主要信号：发变组不完全保护(I)动作：发电机纵差动作：电气事故(【)；电气事故（Ⅱ）：断路器保护盘动作：断路器CB1分闸：发电机横差保护 (Ⅱ)动作：发电机横差保护(I)动作：转速大于115%。现场检查发现，发电机上机架有2块盖板因气浪错位，冒出浓烟，但机坑内己无明火，进入机坑检查，见到一Y方向靠近中性点处多根定子线棒的下端部烧损严重，但定子铁心完好，靠近故障点处转子磁极表面有许多黑色灰烬，但没有明显的烧坏痕迹，地下留下许多灰烬，未发现有转动部件甩出，在机组励磁室还发现灭磁电阻柜有起火熏黑痕击穿造成的短路事故

天生桥一级水电站 1 号发电机事故分析张兴栋 1，黄少洪 1，肖克平 2 （1．天生桥一级水电开发有限公司，广东广州 510008； 2．天生桥一级水电开发有限公司水力发电厂，贵州天生桥 562400）摘要：分析了天生桥一级水电站 1 号发电机定子线棒绝缘击穿事故及其原因，提出了加强施工现场管理；改进发电机定子绕组分支间的连接结构；在发电机加装在线监测装置等几项预防措施。这些措施对加强设备管理有现实意义，可供同行借鉴。关键词：发电机；定子绕组；线棒；绝缘击穿；事故天生桥一级水电站位于南盘江上游，贵州安龙和广西隆林的界河上，装有 4 台单机容量为 300MW 的水轮发电机组，发电机额定电压为 18 k V，额定电流为 10 997 A，绝缘等级为 F 级，励磁方式采用自并激晶闸管励磁，由哈尔滨电机厂有限责任公司设计制造。电气主接线采用机组－主变压器－线路的接线方式，机组的并网点为主变压器高压开关。1～4 号机组分别于 2000 年 12 月、2000 年 9 月、1999 年 12 月和 1998 年 12 月投产，2002 年 10 月 13 日，1 号发电机在正常运行中突然发生事故，前后运行不到 2 年。 1 事故经过及损坏情况 1.1 事故发生事故前，1 号机组带有功负荷 260 MW，无功负荷 30MW，正常运行，定子线圈温度、定子电流、机组振动摆度等运行参数无异常指示。2002 年 10 月 13 日 17 时 57 分，机组突然发生事故，继电保护动作，跳开主变压器高压开关及机组励磁开关，造成机组完全停机。 1.2 事故结论当时计算机上位机出现下列主要信号：发变组不完全保护（Ⅰ）动作；发电机纵差动作；电气事故（Ⅰ）；电气事故（Ⅱ）；断路器保护盘动作；断路器 CB1 分闸；发电机横差保护（Ⅱ）动作；发电机横差保护（Ⅰ）动作；转速大于 115％。现场检查发现，发电机上机架有 2 块盖板因气浪错位，冒出浓烟，但机坑内已无明火，进入机坑检查，见到－Y 方向靠近中性点处多根定子线棒的下端部烧损严重，但定子铁心完好，靠近故障点处转子磁极表面有许多黑色灰烬，但没有明显的烧坏痕迹，地下留下许多灰烬，未发现有转动部件甩出，在机组励磁室还发现灭磁电阻柜有起火熏黑痕击穿造成的短路事故

甲点起弧后，电弧和被电弧燃熔的金属蒸气瞬间向上喷射，因向上的冷却气流和转子旋转同时作用，电弧实际略偏右向上喷射，约79ms后扩展，使乙点329号上层线棒与334 号下层线棒B3~C2的分支被6.8kW电压击穿烧损，乙点V,W相间产生很大的短路电流，横差保护I61.1G启动，约97.6s后，发电机差动保护87G及发电机变压器组差动保护87 GT出口，跳开变压器出口高压断路器2001DL(横差保护I延时为0.2s,虽起动装置尚未来得及出口)，同时断开转子灭磁开关并停机。此时甩负荷后机组升速，达额定转速的117% (58.5Hz),转子电流和对应的发电机电压开始按灭磁时间常数特性急剧下降，由于甩负荷和超速17%，降低的电压受到一定程度的补馈，乙点起弧后含有金属蒸气的电弧继续顺着朝上略偏右方向喷射，而将电弧再扩展到丙点后，使330号上层线棒与333号下层线棒间，仍然是在V,W相间，被8kW电压击穿，接着又一次短路起弧烧损。因灭磁电压下降此处的短路电流比乙点开始时的短路电流小，随着丙点再一次起弧喷射，丁点也随之在10.5kW 电压（实际己远低于此值）下立即烧损起弧，此处仍是V,W相间短路，但短路电流要小，因己接近灭磁的尾段，随着灭磁时间的完成，定子失压，甲~丁4个燃弧点也随之熄灭。从甲点击穿起弧开始至全部熄弧，历时约3.88s。 2.1.2事故原因分析由于事故第一现场的物证随着电压击穿并燃弧而丧失殆尽，但大型发电机因此类机内残存异物吲引起的事故己有多起例证教训，结合此次事故过程的录波图和现场实况的调查取证，进行以下客观分析： a)铁磁异物引起事故源于甲点U相2~3分支间的匝间短路。发生事故的根源是在发电机现场组装施工中，残存遗留了一段长大于44m的铁磁物。下层线棒的背部有上下共两道牢固定位的绑环，两道绑环间内侧约相距200mm,上层线棒在对应两道绑环处各以环氧无纬玻璃丝带连同下线棒和绑环成整体，缠绕绑固，上下层线绑分别在对应上下绑环处分别垫以厚为15mm和 30mm的斜形绝缘垫块。在两道绑环扎带之间，上层相邻的线棒间还有两道紧固绑扎带。甲点的铁磁异物正处在下绑环线棒层间30m的绝缘垫块上，并斜搭在上、下层线棒的内侧间。运行中，负载电流在定子端部建立起很强的端部漏磁场，尤其紧贴在导流线棒表面漏磁的磁场强度相当大，在此处的铁磁物将因此而发热，同时产生100Hz的振动。由于热效应和振动机械磨损效应，并同时作用于铁磁物两端线棒绝缘的表面，长时间积累，两侧线棒的绝缘将自表面向内积累并加大破坏的深度，尤其在铁磁物斜跨下端处线棒的表面，被破坏的速度

甲点起弧后，电弧和被电弧燃熔的金属蒸气瞬间向上喷射，因向上的冷却气流和转子旋转同时作用，电弧实际略偏右向上喷射，约 79 ms 后扩展，使乙点 329 号上层线棒与 334 号下层线棒 B3～C2 的分支被 6.8 kV 电压击穿烧损，乙点 V，W 相间产生很大的短路电流，横差保护 I61.1G 启动，约 97.6 ms 后，发电机差动保护 87G 及发电机变压器组差动保护 87 GT 出口，跳开变压器出口高压断路器 2001DL（横差保护 I 延时为 0.2 s，虽起动装置尚未来得及出口），同时断开转子灭磁开关并停机。此时甩负荷后机组升速，达额定转速的 117％（58.5 Hz），转子电流和对应的发电机电压开始按灭磁时间常数特性急剧下降，由于甩负荷和超速 17％，降低的电压受到一定程度的补馈，乙点起弧后含有金属蒸气的电弧继续顺着朝上略偏右方向喷射，而将电弧再扩展到丙点后，使 330 号上层线棒与 333 号下层线棒间，仍然是在 V，W 相间，被 8kV 电压击穿，接着又一次短路起弧烧损。因灭磁电压下降此处的短路电流比乙点开始时的短路电流小，随着丙点再一次起弧喷射，丁点也随之在 10.5 kV 电压（实际已远低于此值）下立即烧损起弧，此处仍是 V，W 相间短路，但短路电流要小，因已接近灭磁的尾段，随着灭磁时间的完成，定子失压，甲～丁 4 个燃弧点也随之熄灭。从甲点击穿起弧开始至全部熄弧，历时约 3.88 s。 2.1.2 事故原因分析由于事故第一现场的物证随着电压击穿并燃弧而丧失殆尽，但大型发电机因此类机内残存异物引起的事故已有多起例证教训，结合此次事故过程的录波图和现场实况的调查取证，进行以下客观分析： a）铁磁异物引起事故源于甲点 U 相 2～3 分支间的匝间短路。发生事故的根源是在发电机现场组装施工中，残存遗留了一段长大于 44 mm 的铁磁物。下层线棒的背部有上下共两道牢固定位的绑环，两道绑环间内侧约相距 200 mm，上层线棒在对应两道绑环处各以环氧无纬玻璃丝带连同下线棒和绑环成整体，缠绕绑固，上下层线绑分别在对应上下绑环处分别垫以厚为 15 mm 和 30 mm 的斜形绝缘垫块。在两道绑环扎带之间，上层相邻的线棒间还有两道紧固绑扎带。甲点的铁磁异物正处在下绑环线棒层间 30mm 的绝缘垫块上，并斜搭在上、下层线棒的内侧间。运行中，负载电流在定子端部建立起很强的端部漏磁场，尤其紧贴在导流线棒表面漏磁的磁场强度相当大，在此处的铁磁物将因此而发热，同时产生 100 Hz 的振动。由于热效应和振动机械磨损效应，并同时作用于铁磁物两端线棒绝缘的表面，长时间积累，两侧线棒的绝缘将自表面向内积累并加大破坏的深度，尤其在铁磁物斜跨下端处线棒的表面，被破坏的速度

会更快。当两侧线棒的绝缘逐渐被破坏后，剩余厚度的绝缘强度不足以承受线棒间3.66kV 的电压时，两线棒会瞬间经铁磁物被电压击穿而发生甲点同相的匝间短路。一经击穿短路，立即起弧，铁磁物两侧线棒的铜股线连同铁磁物本身，被电弧瞬间熔化，即蒸发为金属蒸气向上喷射。 b)例证说明铁磁异物的截面偏大时，温度高，磨损强度大，到达破坏积累时间将缩短：当截面较小时，破坏的作用和破坏的速度慢，日积月累，以致需要很长的时间才会发生短路。例如某热电厂2号汽轮发电机(25MW)的绕组端部，残留下一根绑扎端部线棒穿线用的长约180mm 的细钢丝。平躺在线棒表面并达10年之久，在热和磨损的作用下，钢丝一端竞慢慢破坏线棒绝缘，形成一道沟而陷进线棒绝缘层内。幸好它无法跨接相邻线棒而未造成短路事故。后因为大小修时该相泄漏电流不稳定，相间不平衡大于150%，才下决心检测，方才发现这个隐患问题。 c)原因分析甲点燃弧时间最长，但匝间短路电流不是很大，而乙点短路电流最大，燃弧时间稍短，丙点、丁点随着灭磁时间的接近，短路电流依次渐小、燃弧时间渐短，所以乙点燃损最严重，甲点次之，丙点则随之递减，丁点烧损最轻。由于定子下端绕组呈上小下大的喇叭状，且出槽口的直线段后有约200m宽的环氧板空气密封罩沿圆周围成环状，用以固定挡风橡胶密封圈，实地勘察认为，异物难有运转落入，或停机时落入甲点的可能。由于定子绕组是四分支的并联结构，分支间均采用中频焊以固定连接，三相中性线也采用中频焊焊死，常规大、小修及预防性试验，仅能作三相整体对地的泄漏和其他绝缘试验，无法分相，更无法分支进行试验，所以在故障的早期无法通过预试等监测。运行中定子铁心或线棒检温计完全无法反应该点的任何温度变化，该处故障在最后发展为短路事故前，运行中无任何先兆显示，没有任何监测手段。在调查分析中，还考虑到转子下挡风板碰擦挡风用的橡胶密封圈高温或燃烧导致事故的可能。取橡胶密封圈实物并用砂轮机打磨，进行模拟试验，实际的试验结果确切地否定了这一可能性。 2.2转子绕组匝间短路 1号机转子共44个磁极，每个磁极绕组为26匝。当事故发展至乙点并发生击穿，造成 V,W相间两相短路时，转子绕组遭受巨大的负序冲击过电压，5号磁极和42号磁极匝间的

会更快。当两侧线棒的绝缘逐渐被破坏后，剩余厚度的绝缘强度不足以承受线棒间 3.66 kV 的电压时，两线棒会瞬间经铁磁物被电压击穿而发生甲点同相的匝间短路。一经击穿短路，立即起弧，铁磁物两侧线棒的铜股线连同铁磁物本身，被电弧瞬间熔化，即蒸发为金属蒸气向上喷射。 b）例证说明铁磁异物的截面偏大时，温度高，磨损强度大，到达破坏积累时间将缩短；当截面较小时，破坏的作用和破坏的速度慢，日积月累，以致需要很长的时间才会发生短路。例如某热电厂 2 号汽轮发电机（25 MW）的绕组端部，残留下一根绑扎端部线棒穿线用的长约 180 mm 的细钢丝。平躺在线棒表面并达 10 年之久，在热和磨损的作用下，钢丝一端竟慢慢破坏线棒绝缘，形成一道沟而陷进线棒绝缘层内。幸好它无法跨接相邻线棒而未造成短路事故。后因为大小修时该相泄漏电流不稳定，相间不平衡大于 150％，才下决心检测，方才发现这个隐患问题。 c）原因分析甲点燃弧时间最长，但匝间短路电流不是很大，而乙点短路电流最大，燃弧时间稍短，丙点、丁点随着灭磁时间的接近，短路电流依次渐小、燃弧时间渐短，所以乙点燃损最严重，甲点次之，丙点则随之递减，丁点烧损最轻。由于定子下端绕组呈上小下大的喇叭状，且出槽口的直线段后有约 200 mm 宽的环氧板空气密封罩沿圆周围成环状，用以固定挡风橡胶密封圈，实地勘察认为，异物难有运转落入，或停机时落入甲点的可能。由于定子绕组是四分支的并联结构，分支间均采用中频焊以固定连接，三相中性线也采用中频焊焊死，常规大、小修及预防性试验，仅能作三相整体对地的泄漏和其他绝缘试验，无法分相，更无法分支进行试验，所以在故障的早期无法通过预试等监测。运行中定子铁心或线棒检温计完全无法反应该点的任何温度变化，该处故障在最后发展为短路事故前，运行中无任何先兆显示，没有任何监测手段。在调查分析中，还考虑到转子下挡风板碰擦挡风用的橡胶密封圈高温或燃烧导致事故的可能。取橡胶密封圈实物并用砂轮机打磨，进行模拟试验，实际的试验结果确切地否定了这一可能性。 2．2 转子绕组匝间短路 1 号机转子共 44 个磁极，每个磁极绕组为 26 匝。当事故发展至乙点并发生击穿，造成 V，W 相间两相短路时，转子绕组遭受巨大的负序冲击过电压，5 号磁极和 42 号磁极匝间的

绝缘瞬间被击穿。经更换击穿点处的匝间绝缘层，主绝缘和匝间绝缘均已恢复原有的绝缘强度。 6号和22号磁极绕组的表面，曾因受到定子甲~丁点短路燃弧时，金属蒸气的喷附，也曾呈现同一磁极绕组各匝间交流匝压分布很不均匀的现象，经仔细彻底清理后立即恢复，此两磁极也和所有磁极绕组一样，其交流匝压分布规律基本一致。转子各极的交流阻抗普遍比交接时升高，个别升高幅度较大。这一现象不是匝间短路故障也不是磁路磁阻变化引起的不对称，可能是施加测试电流大小的影响和极靴上阻尼条与阻尼环接触性能变化的影响。大小修时应注意从外观检查阻尼条与阻尼环接触的状态。 2.3励磁回路灭磁电阻柜闪络有明显痕迹表明，在转子承受负序冲击时，过压保护计数器显示转子绕组侧的过压保护曾正确动作，但灭磁电阻柜中1一5FR单元与2一5R单元的正、负极间发生闪络放电，并留有明显放电痕迹，1一5FR单元和1一4FR单元中各有一串非线性电阻的联接导线被烧断。故障后，虽经处理均己恢复正常，但柜中的结构布置应作改进，改变两单元正负极间距离不小于10m的结构状态。这一结构现状很容易导致在较大转子电流断开灭磁开关时都产生闪络等故障，尤其在强励不成功灭磁时，可能会导致更大的损坏，应予以改进。 3改进措施以下工作是今后必须注意的： )应逐步完善转子在膛内时电机本体的各项基础试验数据档案，为今后在相同条件下的比较鉴别提供依据。 b)在大、小修及任何施工时，应加强对机组各关键部位的防护，措施必须明确、有效并认真贯彻执行，注意彻底清理机内、机外、盖板搭缝处有关的死角，不许残留任何金属异物和让渣滓进入风洞或发电机膛，必须严格履行关于工具、零备件、材料等进出的登记清理手续，严防带入手表、钢笔、硬币…等非维修用物。 ℃)灭磁电阻柜内的元件排列、结构布置应作必要的调整改进，提高正、负方向母线间的绝缘水平。 )创造条件，争取改进定子绕组相间分支间的连接结构，以利绝缘监督工作到位。 )考察、考虑加装发电机局部放电在线监测或射频在线监测，以期早期预警并及时检出隐形故障。 4结束语

绝缘瞬间被击穿。经更换击穿点处的匝间绝缘层，主绝缘和匝间绝缘均已恢复原有的绝缘强度。 6 号和 22 号磁极绕组的表面，曾因受到定子甲～丁点短路燃弧时，金属蒸气的喷附，也曾呈现同一磁极绕组各匝间交流匝压分布很不均匀的现象，经仔细彻底清理后立即恢复，此两磁极也和所有磁极绕组一样，其交流匝压分布规律基本一致。转子各极的交流阻抗普遍比交接时升高，个别升高幅度较大。这一现象不是匝间短路故障也不是磁路磁阻变化引起的不对称，可能是施加测试电流大小的影响和极靴上阻尼条与阻尼环接触性能变化的影响。大小修时应注意从外观检查阻尼条与阻尼环接触的状态。 2．3 励磁回路灭磁电阻柜闪络有明显痕迹表明，在转子承受负序冲击时，过压保护计数器显示转子绕组侧的过压保护曾正确动作，但灭磁电阻柜中 1－5FR 单元与 2－5FR 单元的正、负极间发生闪络放电，并留有明显放电痕迹，1－5FR 单元和 1－4FR 单元中各有一串非线性电阻的联接导线被烧断。故障后，虽经处理均已恢复正常，但柜中的结构布置应作改进，改变两单元正负极间距离不小于 10 mm 的结构状态。这一结构现状很容易导致在较大转子电流断开灭磁开关时都产生闪络等故障，尤其在强励不成功灭磁时，可能会导致更大的损坏，应予以改进。 3 改进措施以下工作是今后必须注意的： a）应逐步完善转子在膛内时电机本体的各项基础试验数据档案，为今后在相同条件下的比较鉴别提供依据。 b）在大、小修及任何施工时，应加强对机组各关键部位的防护，措施必须明确、有效并认真贯彻执行，注意彻底清理机内、机外、盖板搭缝处有关的死角，不许残留任何金属异物和让渣滓进入风洞或发电机膛，必须严格履行关于工具、零备件、材料等进出的登记清理手续，严防带入手表、钢笔、硬币……等非维修用物。 c）灭磁电阻柜内的元件排列、结构布置应作必要的调整改进，提高正、负方向母线间的绝缘水平。 e）创造条件，争取改进定子绕组相间分支间的连接结构，以利绝缘监督工作到位。 f）考察、考虑加装发电机局部放电在线监测或射频在线监测，以期早期预警并及时检出隐形故障。 4 结束语