大、中型高壓異步電機(jī)絕緣隱患的預(yù)防與分析

以某化工廠燃煤鍋爐一次風(fēng)機(jī)高壓電機(jī)絕緣故障為例，通過對(duì)繼電保護(hù)動(dòng)作信息、故障錄波信息以及設(shè)備受損情況進(jìn)行判斷，深入分析故障產(chǎn)生的原因及故障機(jī)理，提出了一定的優(yōu)化、預(yù)防措施。幾點(diǎn)建議可推廣應(yīng)用于石化、發(fā)電等電力系統(tǒng)及工礦企業(yè)的高壓電機(jī)，具有一定的借鑒意義。

燃煤鍋爐系統(tǒng)中主要包括一臺(tái)引風(fēng)機(jī)、一臺(tái)一次風(fēng)機(jī)和一臺(tái)二次風(fēng)機(jī)。當(dāng)其中任何一臺(tái)風(fēng)機(jī)的高壓電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，整臺(tái)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(yùn)行，由此導(dǎo)致的突然甩負(fù)荷也會(huì)對(duì)系統(tǒng)電網(wǎng)造成一定威脅。

燃煤鍋爐系統(tǒng)中的高壓風(fēng)機(jī)機(jī)組通常采用6/10kV高壓廠用電系統(tǒng)，基于啟動(dòng)電流過大對(duì)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(dòng)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(yùn)行維護(hù)中發(fā)現(xiàn)的主要問題。本文以某化工廠燃煤鍋爐一次風(fēng)機(jī)高壓電機(jī)絕緣故障為例，分析問題產(chǎn)生的原因，并提出幾點(diǎn)預(yù)防此類高壓電機(jī)故障的方法。

故障現(xiàn)象及故障原因分析

保護(hù)動(dòng)作信息

某化工廠燃煤鍋爐一次風(fēng)機(jī)6kV電機(jī)（額定功率315kW）在運(yùn)行時(shí)發(fā)生故障，電機(jī)故障引起該工廠內(nèi)6kV系統(tǒng)電網(wǎng)Ⅰ段波動(dòng)，涉及多套裝置40臺(tái)設(shè)備自停，對(duì)裝置生產(chǎn)造成一定影響。通過調(diào)取DCS顯示定子各繞組溫度正常，綜保動(dòng)作信息為“速斷電流保護(hù)動(dòng)作”。

電機(jī)故障點(diǎn)確認(rèn)

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)電機(jī)絕緣進(jìn)行測(cè)試，確認(rèn)電機(jī)U、V兩相絕緣對(duì)地為零。經(jīng)過解體檢查發(fā)現(xiàn)接線盒內(nèi)引線U、V相有明顯短路崩燒痕跡。內(nèi)部檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)：電機(jī)U、V 兩相引線斷裂且表面燒傷并變形，支柱絕緣子局部受損。

故障錄波信息分析

錄波分析結(jié)果：電機(jī)首先發(fā)生U、V兩相對(duì)地間歇放電，944ms后U、V兩相間發(fā)生短路，造成電壓下降，Ua=1.48kV(額定電壓41%)，Ub=1.38kV(額定電壓38%)，短路持續(xù)92ms故障切除。60ms后低電壓會(huì)造成接觸器因電磁力減少不能克服彈簧力而跳閘。錄波波形見圖。

圖

根據(jù)繼電保護(hù)裝置動(dòng)作記錄和故障錄波分析，此次故障屬于電機(jī)兩相短路故障，保護(hù)正確動(dòng)作。但保護(hù)裝置性能較差，實(shí)際動(dòng)作時(shí)間為73ms，不能在30-40ms出口，加大了造成6kV系統(tǒng)電壓波動(dòng)。通過分析故障波形，晃電前944ms發(fā)生了U、V相對(duì)地間歇性放電，說明此時(shí)電機(jī)定子繞組U、V兩相絕緣已經(jīng)擊穿，隨后引起兩相短路，速斷保護(hù)動(dòng)作跳閘，造成6kV系統(tǒng)I段電壓波動(dòng)，導(dǎo)致部分低壓接觸器釋放和變頻器欠壓跳閘。圖為繼電保護(hù)示意圖。

圖

故障原因分析

接線盒中用于支撐母排的支柱絕緣子采用硅橡膠材料，且由于該電機(jī)使用環(huán)境污穢嚴(yán)重，需要按照Ⅳ級(jí)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?a target="_blank">產(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(duì)地閃絡(luò)，絕緣子表面會(huì)由于漏電起痕而產(chǎn)生燒傷的溝道。從現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)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、V相高壓引線成為關(guān)注的重點(diǎn)，結(jié)合故障錄波中6kV母線三相電壓值及零序電壓值，對(duì)故障持續(xù)過程及產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步的探尋。

如上圖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，U、V兩相引線絕緣子局部變形且表面有燒傷痕跡?？梢詳喽ǎ琔、V相引線的斷裂處是整條引線的絕緣薄弱環(huán)節(jié)，當(dāng)U相與V相引線間施加6kV工作電壓時(shí)，引線線芯表面會(huì)形成較強(qiáng)的電場(chǎng)，在交流電場(chǎng)作用下，電場(chǎng)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(huì)由于場(chǎng)強(qiáng)的集中而不斷劣化。除此之外，電機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生大量的熱，高壓側(cè)接線盒處于相對(duì)密閉的環(huán)境，熱量的累積會(huì)導(dǎo)致箱體內(nèi)氣體溫度升高。隨著溫度的升高，高場(chǎng)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(yùn)行時(shí)振動(dòng)力的助增下絕緣亦產(chǎn)生機(jī)械疲勞，當(dāng)U、V相引線絕緣薄弱部位劣化至無法承受運(yùn)行電壓的作用時(shí)，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U、V相之間空氣溫度迅速增加，加之短路電動(dòng)力使得Ｖ相支柱絕緣子受損，降低了相間距離，增大了相間場(chǎng)強(qiáng)，導(dǎo)致U、V兩相間空氣的熱游離，出現(xiàn)間隙放電，在第944ms后形成了U、V相短路，零序電壓消失。在短路電流熱積累的作用下，電機(jī)的U、V兩相引線之間電弧持續(xù)燃燒，短路持續(xù)92ms時(shí)繼電保護(hù)動(dòng)作，切除U、V兩相短路故障。

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(chǎng)、磁場(chǎng)、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(yùn)行的關(guān)鍵因素。在日常的運(yùn)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。

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(dòng)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(jì)算截面大一級(jí)選取以降低導(dǎo)體表面的場(chǎng)強(qiáng)。夏季室外氣溫高達(dá)30℃以上，廠房?jī)?nèi)溫度甚至達(dá)40~50℃，且接線箱處于相對(duì)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(jí)絕緣的引線電纜，加裝相同絕緣等級(jí)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。

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(dòng)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(huì)因?yàn)檎＿\(yùn)行時(shí)的機(jī)械振動(dòng)發(fā)生斷裂。如電機(jī)運(yùn)行環(huán)境處在高腐蝕、高污穢環(huán)境中，可在絕緣子表面涂刷PRTV等方法以增強(qiáng)抗?jié)耖W和污閃能力。

局部放電監(jiān)測(cè)

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(duì)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(cè)，當(dāng)某臺(tái)電機(jī)放電量出現(xiàn)明顯增高時(shí)，需加強(qiáng)監(jiān)視，在必要的情況下對(duì)此設(shè)備進(jìn)行停機(jī)檢修。

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(yùn)行，在日常維護(hù)中，應(yīng)加大巡視力度，采用測(cè)量局放量、熱成像儀監(jiān)測(cè)等方法尋找放電點(diǎn)。在機(jī)組停機(jī)檢修時(shí)，通過采用增加相間絕緣隔板、加裝高絕緣等級(jí)引線護(hù)套或更換優(yōu)質(zhì)絕緣子等方法加強(qiáng)電機(jī)高壓引線部分的絕緣，避免此類問題重現(xiàn)。

審核編輯：湯梓紅