大、中型高压异步电机绝缘隐患的预防与分析

以某化工厂燃煤锅炉一次风机高压电机绝缘故障为例，通过对继电保护动作信息、故障录波信息以及设备受损情况进行判断，深入分析故障产生的原因及故障机理，提出了一定的优化、预防措施。几点建议可推广应用于石化、发电等电力系统及工矿企业的高压电机，具有一定的借鉴意义。

燃煤锅炉系统中主要包括一台引风机、一台一次风机和一台二次风机。当其中任何一台风机的高压电机发生故障时，整台机组出力受阻至少50%，甚至会发生跳机事件，严重影响了机组的经济性和稳定运行，由此导致的突然甩负荷也会对系统电网造成一定威胁。

燃煤锅炉系统中的高压风机机组通常采用6/10kV高压厂用电系统，基于启动电流过大对厂用电系统电压及其他厂用负荷影响的考虑，200kW以上的电动机一般采用高压电机。高压电机在高电压、大电流下高速旋转，无论在机械方面还是电磁方面，都易产生一系列的问题。诸如绕组匝间短路、绕组接地（相间）短路、引线故障、支柱绝缘子闪络等电气故障均为设备日常运行维护中发现的主要问题。本文以某化工厂燃煤锅炉一次风机高压电机绝缘故障为例，分析问题产生的原因，并提出几点预防此类高压电机故障的方法。

故障现象及故障原因分析

保护动作信息

某化工厂燃煤锅炉一次风机6kV电机（额定功率315kW）在运行时发生故障，电机故障引起该工厂内6kV系统电网Ⅰ段波动，涉及多套装置40台设备自停，对装置生产造成一定影响。通过调取DCS显示定子各绕组温度正常，综保动作信息为“速断电流保护动作”。

电机故障点确认

现场对电机绝缘进行测试，确认电机U、V两相绝缘对地为零。经过解体检查发现接线盒内引线U、V相有明显短路崩烧痕迹。内部检查时发现：电机U、V 两相引线断裂且表面烧伤并变形，支柱绝缘子局部受损。

故障录波信息分析

录波分析结果： 电机首先发生U、V两相对地间歇放电，944ms后U、V两相间发生短路，造成电压下降，Ua=1.48kV(额定电压41%)，Ub=1.38kV(额定电压38%)，短路持续92ms故障切除。60ms后低电压会造成接触器因电磁力减少不能克服弹簧力而跳闸。录波波形见图。

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根据继电保护装置动作记录和故障录波分析，此次故障属于电机两相短路故障，保护正确动作。但保护装置性能较差，实际动作时间为73ms，不能在30-40ms出口，加大了造成6kV系统电压波动。通过分析故障波形，晃电前944ms发生了U、V相对地间歇性放电，说明此时电机定子绕组U、V两相绝缘已经击穿，随后引起两相短路，速断保护动作跳闸，造成6kV系统I段电压波动，导致部分低压接触器释放和变频器欠压跳闸。图为继电保护示意图。

图

故障原因分析

接线盒中用于支撑母排的支柱绝缘子采用硅橡胶材料，且由于该电机使用环境污秽严重，需要按照Ⅳ级污区中规定的爬电比距进行绝缘子爬电距离的选择。基于定型产品的考虑，可采用经过海拔修正的高原型10kV绝缘子代替。硅橡胶材料具有优良的憎水性和耐污闪性能，一旦发生绝缘对地闪络，绝缘子表面会由于漏电起痕而产生烧伤的沟道。从现场观察发现，绝缘子明显是由于外界应力导致的局部破裂，非电弧贯穿性损伤，且零序电流保护没有动作，因此可以判断，用于支撑母排的支柱绝缘子非故障的诱因。

至此，断裂的U、V相高压引线成为关注的重点，结合故障录波中6kV母线三相电压值及零序电压值，对故障持续过程及产生机理进行进一步的探寻。

如上图3所示，从引线断裂的部位可以看到，断裂处绝缘由于短路电流的热效应而烧焦变形，U、V两相引线绝缘子局部变形且表面有烧伤痕迹。可以断定，U、V相引线的断裂处是整条引线的绝缘薄弱环节，当U相与V相引线间施加6kV工作电压时，引线线芯表面会形成较强的电场，在交流电场作用下，电场强度按容性分布，由于空气的介电常数远小于绝缘材料的介电常数，一旦绝缘层中存在集中性缺陷，小气隙会由于场强的集中而不断劣化。除此之外，电机在高速运转时产生大量的热，高压侧接线盒处于相对密闭的环境，热量的累积会导致箱体内气体温度升高。随着温度的升高，高场强下引线绝缘的热老化和引线与相邻相铜排之间气体绝缘热游离逐渐加剧，在电机运行时振动力的助增下绝缘亦产生机械疲劳，当U、V相引线绝缘薄弱部位劣化至无法承受运行电压的作用时，发生两相相间短路，产生零序电压。电弧产生的高温使U、V相之间空气温度迅速增加，加之短路电动力使得Ｖ相支柱绝缘子受损，降低了相间距离，增大了相间场强，导致U、V两相间空气的热游离，出现间隙放电，在第944ms后形成了U、V相短路，零序电压消失。在短路电流热积累的作用下，电机的U、V两相引线之间电弧持续燃烧，短路持续92ms时继电保护动作，切除U、V两相短路故障。

高压电机绝缘隐患预防措施

由于高压电机内部环境复杂，在电场、磁场、机械力的联合作用下高速旋转，故电机绝缘故障率高于变压器等静止设备，特别是在当今高压变频器大量应用的环境下，电机的绝缘问题成为了制约其稳定运行的关键因素。在日常的运行维护中，可适当采取以下措施，将故障限制在初始阶段，防止短路跳闸事故的发生。

加强电缆引线绝缘

由于高压绝缘引线工作于机械振动状态，较宜采用具有较高柔韧性的硅橡胶电缆，且电缆截面可较计算截面大一级选取以降低导体表面的场强。夏季室外气温高达30℃以上，厂房内温度甚至达40~50℃，且接线箱处于相对密闭的环境中，高温是导致绝缘材料热老化的主要原因。因此，可使用Ｈ级绝缘的引线电缆，加装相同绝缘等级的引线护套，以补强引线处绝缘。为了避免铜排之间的相间短路，可在相间加装具有一定厚度的环氧树脂板并固定于接线箱箱体。接线箱采用下进线方式，避免雨水的侵入影响绝缘性能。

加强支柱绝缘子绝缘

支柱绝缘子通常采用陶瓷、环氧树脂、硅橡胶以及新型 DMC等材料。无机陶瓷和环氧树脂具有较高的抗拉、抗压性能，但无法承受较大的振动和剪切力。硅橡胶绝缘子不仅具有优良的沿面性能，而且不会因为正常运行时的机械振动发生断裂。如电机运行环境处在高腐蚀、高污秽环境中，可在绝缘子表面涂刷PRTV等方法以增强抗湿闪和污闪能力。

局部放电监测

绝缘材料的老化过程通常都伴随着局部放电量的增加。在定期巡检过程中，利用局放定位设备对高压电机的高压侧接线箱等部位进行局部放电量监测，当某台电机放电量出现明显增高时，需加强监视，在必要的情况下对此设备进行停机检修。

高压电机绝缘故障严重影响了电机及发电机组的稳定运行，在日常维护中，应加大巡视力度，采用测量局放量、热成像仪监测等方法寻找放电点。在机组停机检修时，通过采用增加相间绝缘隔板、加装高绝缘等级引线护套或更换优质绝缘子等方法加强电机高压引线部分的绝缘，避免此类问题重现。

审核编辑：汤梓红