高压交流电动机定子绕组故障的原因分析及处理

吴敦堂

摘要：本文针对高压电动机绕组绝缘故障类型进行了多方面的分析，主要针对电机绝缘老化的因素，过电压的危害，过电压的抑制措施进行综合分析，提出电机绝缘损坏的防范错。
关键词：高压电动机；过电压；RC阻容吸收器；绝缘老化
1 高压电机绝缘中的杂质、气泡、绕组浸漆不均匀对电机绝缘的影响及危害
高压电机绝缘存在杂质、气泡缺陷，造成电荷在杂质、气泡区域的自由电子运动的障碍，自由电子积聚，形成空间电荷极化。电机的绝缘漆不均匀易造成电介质中的电子或离子在界面处聚集形成界面极化。电荷的大量聚集主要描述为空间区域电荷存储(Q1)，槽区域电荷存储(Q2)和端部绕组区域电荷存储(Q3)。三种电荷的分布比率（Q1/Q2和 Q2/Q3的比值）可以说明电机定子槽内存在局部放电现象，放电造成绝缘材料降解，电晕造成防护层腐蚀，腐蚀进而造成槽内绕组对地主绝缘和槽壁存在松动。绝缘的破坏造成电机绝缘击穿的概率大大提升。
2 过电压对电机的影响
2．1 操作过电压对电机的危害
电力系统改变设备的运行状态、事故跳闸均是通过分合开关（断路器）来实现的。真空断路器在电机中的应用是很广泛的，真空断路器具有运行可靠性高、维护量少、但在运行操作过程中，过电压对电机绝缘损害较大。
2.1.1截流过电压：由于真空断路器具有良发的灭弧性能，当开断小电流时，电弧在过零前熄灭，由于电流被突然切断，其滞留于电机等电感绕组中的能量必然向绕组中的杂散电容充电，转变为电场能量。对于大容量电机特别是空载时，则相当于一个大的电感，因此会产生高的过电压。断路器触头和回路中有一定的电阻，产生损耗以及发生击穿，对过电压值有一定的抑制作用。但这种抑制作用是有限的，不能消除在切断电流时出现的过电压。截流过电压出现的概率大，过电压幅值虽然不是很高，但电动机空载、负载时用真空断路器开断均会出现，对电机绝缘冲击次数多，造成绝缘的累积伤害较为普遍。因此特别对感应负载在采用真空断路器作为操作元件时，应加装过电压保护设备。
2.1.2多次重燃过电压。切断制动状态的电动机时可能发生，由于启动电流很大，一次截流难以发生，真空断路器触头在工频电流过零时断弧，被切电机侧的电压也还较高，电机侧的电容对漏感放电，产生振荡；又因触头刚分离，开距很小，真空绝缘承受不住恢复电压的作用，被击穿 (发生重燃 )，重燃时在负载和电源侧发生高频振荡，使触头间隙反复多次熄弧、再击穿。类似振荡愈趋强烈，直到过电压不能再使间隙击穿为止。其过电压幅值很高，且陡度极大，类似雷电波，造成线圈间电压分布不均，故对电机主绝缘和匝间绝缘都很危险，特别是对线圈端部绝缘危害尤大。
2.2 三相开断过电压

三相开断过电压是由于断路器首先开断相弧隙产生重燃时，流过该相弧隙的高频电流引起其余两相弧隙中的工频电流迅速过零，其暂态高频电流通过电磁耦合在其它两相同时感应出一个高频电流，与原有的工频电流叠加，使另两相电流瞬间过零而被截断。上述高频过程极快，可认为三相截流是同时的。这样，后两相的截流值可能很大，从而造成很高的过电压，严重危害电机绝缘。
2.3 雷击过电压对电机的危害
雷击过电压引起暂态高电压，雷电放电所产生的雷电流高达数十、甚至数百千安，它将引起巨大的电磁效应、机械效应和热效应。雷击过电压又分为纵向过电压和横向过电压。纵向冲击过电压击穿和损坏跨接在线与地之间的元部件的绝缘介质。横向过电压在平衡电路线与线之间，或不平衡线路的线与地之间出现的过电压称为横向过电压。横向冲击则同信息一样，可在电路中传输，损坏内部电路的电容、电感、及耐冲击绝缘水平能力差的固体元件。

冲击消失后，对于有些非自行恢复的绝缘介质，如果击穿后只流过很小的电流，常不会立即中断设备的运行，但随时间的推移，元部件受潮，其绝缘逐渐下降，电路特性变坏，最后将使电路损坏。
3 现有过电压保护效果
现有保护装置采用的是 TBP型三相组合式过电压保护器。过电压在 3倍相电压 以下时 TBP不误动作，超过此值动作，能有效地保护电动机绝缘；TBP的标准操作冲击放电电压和雷电放电电压分别 ≤14kV和 ≤15kV(峰值 )，远低于高压电动机的绝缘水平 ，用断路器开断电动机时，无论出现哪种形式的操作过电压，TBP均能有效地限制过电压幅值，较好地保护电动机主绝缘。但是 TBP对高频过电压信号响应速度慢，当产生高频重击穿过电压时，无法降低过电压的高振荡频率和波头的上升陡度，从而难以保护电动机的匝间绝缘 。
4 防范措施
基本措施要使电动机安稳长运行，减少绝缘事故的发生，有三种基本方法：
1）提高电机绝缘的质量和增加电机检修周期；
2）完善过电压保护措施；
3）定期对电机绝缘检测并加强绝缘。
电机使用者的工作重点应放在第2）、3）点上，相应具体措施如下：

(1)提高电机防护等级，改善电机运行环境，减少外界环境对绝缘的损坏。缩短电机检修周期，定期对电机清灰，端部线圈绝缘根据情况喷涂防晕漆。
(2)增加过电压保护措施，在电机末端增加 RC 阻容吸收装置，以更好地限制高频重击穿过电压。电容可以降低暂态恢复电压上升陡度、降低振荡频率，电阻可以起到衰减暂态恢复电压的作用。此 RC吸收装置主要功能是抑制重燃的发生以及对高频过电压加以阻尼，抑制其幅值、降低振荡频率和陡度。
(3)通过高压电机定子绕组绝缘状态及预期寿命分析程序——LEAP，可以检测电机绝缘寿命。采用LEAP极化去极化电流分析，绝缘介质损耗因数及电容分析，非线性绝缘行为分析， 局部放电分析几项检测及时掌握电机绕组是否存在水份、残留金属氧化物、有机化合物等污染物。槽区域电荷存储和端部绕组污染状态的信息，并可以提供如定子槽内线圈与槽壁接触情况等信息。电机定子槽端部绕组区域存在碳尘/碳化油脂或其它导电杂质污染。
5 结束语
真空断路器由于有很强的灭弧能力，在开断感应电动机时会产生较严重的操作过电压。虽然回路一般都有一定的过电压保护措施，基本上能将过电压幅值限制在电动机绝缘所能承受的范围之内，但由于电机频繁启停，操作过电压多次冲击绝缘造成累积伤害，加上其它因素，久之则会形成绝缘弱点。另外，高频振荡过电压波头的高陡度对电机匝间绝缘的危害容易被忽视，而这恰恰是部分电机绝缘损坏的主要原因。采用阻容吸收器对高频过电压加以阻尼，抑制其幅值、降低振荡频率和陡度。通过电机定子绕组绝缘状态及预期寿命分析程序——LEAP检测电机绝缘，对电机绝缘强化，已增强抗击过电压能力。因此，为减少和杜绝电机绝缘事故的发生，在加强运行维护管理、改善运行条件的同时，完善的过电压保护措施更是至关重要的，要求既能限制住过电压幅值，又要能抑制高频振荡、有效降低过电压波头陡度。
参考文献：
[1]《真空断路器开断与关合不同负载时的操作过电压》中国电力出版社2001年1月出版，作者苑舜
[2]GB/T50064-2014，《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》主编：中国电力企业联合会