引言
在电力、冶金及化工等关键工业部门，电压不低于3kV的高压电机作为风机、水泵和压缩机等关键设备的动力核心，其稳定运作对生产线的持续性至关重要。故而，对高压电机定子绕组的故障检测与修复技术进行深入研究，精确识别故障类型和位置，并形成合适的维修策略，对提升电机的稳定性能、延长其使用寿命以及降低企业的运维费用具有重要的实践意义。本文详尽分析了高压电机定子绕组的功能特性及故障原理，梳理了常见故障及其成因，评估了多种诊断技术的适用性和效果，提出了统一的维修步骤，并通过实地检测数据证实了方法的有效性，为高效处理高压电机定子绕组故障提供了技术支持。
1 高压电机定子绕组常见故障类型及成因
1.1 绝缘老化故障
定子绕组的绝缘系统主要使用环氧玻璃纤维管、云母带等材料，这些材料的质量对电机的绝缘效果有决定性影响。绝缘老化是定子绕组遇到的最频繁的问题，占比超过一半，通常是由于热应力和电应力以及环境应力共同引起的。在热应力的影响下，电机运作时产生的铜耗和铁耗会引起热量的累积。如果散热不够及时，使得温度超过绝缘材料的耐受极限（例如，A级绝缘耐受105°C、B级130°C、F级155°C），会加快绝缘材料的热氧化过程，使其变得易碎并可能出现裂缝。依据绝缘材料的热老化规律，每超过标准温度10°C，其使用寿命就会减半，比如，B级绝缘的电机在140°C的条件下长期工作，其寿命会从原本的15年减少到7至8年。
1.2 匝间短路故障
匝间短路是指定子绕组同一线圈的相邻匝之间因绝缘损坏而发生的短路，约占绕组故障的 25%-30%。其主要成因包括：一是机械磨损，电机运行时绕组受电磁力、振动影响，线圈与铁芯、线圈与线圈之间发生摩擦，导致匝间绝缘磨损；二是过电压冲击，雷击过电压、电网谐振过电压等会使匝间电压超过绝缘耐受值，击穿匝间绝缘；三是制造缺陷，线圈绕制过程中匝间绝缘铺设不均匀、存在气泡或杂质，运行后易在缺陷处发生击穿。匝间短路发生后，短路匝会产生较大的环流，导致局部温度急剧升高，进一步烧毁周围绝缘，若不及时处理，会发展为相间短路或对地击穿故障，造成更严重的设备损坏。
1.3 对地击穿故障
对地击穿是指定子绕组与电机铁芯（接地体）之间的绝缘被击穿，导致绕组对地短路，约占绕组故障的 15%-20%。其成因主要包括：一是绝缘老化严重，绝缘层厚度大幅下降，无法承受额定电压；二是异物侵入，电机内部进入金属碎屑、粉尘等异物，在电场作用下形成导电通道，击穿对地绝缘；三是铁芯过热，铁芯硅钢片间绝缘损坏导致涡流增大，局部温度升高，烘烤绕组对地绝缘，使其性能下降；四是过电压作用，额定电压下绝缘可正常工作，但遭遇操作过电压（如合闸过电压、分闸过电压）时，对地电压超过绝缘耐受强度，导致击穿。对地击穿故障发生时，会产生较大的短路电流，可能烧毁绕组、损坏铁芯，甚至引发火灾。
2 高压电机定子绕组故障诊断方法
2.1 常规电气检测法
常规电气检测法是高压电机定子绕组故障诊断的基础方法，主要包括绝缘电阻测试、介损（tanδ）测试、直流耐压测试，具有操作简便、成本低、可现场检测的优点，适用于初步判断绝缘性能。
绝缘电阻测试采用兆欧表（摇表）进行，测试电压根据电机额定电压选择（如 3kV 电机选用 2500V 兆欧表，6kV、10kV 电机选用 5000V 兆欧表），测试环境温度以 20℃为基准，若温度偏离需进行换算（温度每升高 10℃，绝缘电阻约下降一半；每降低 10℃，约升高一倍）。根据《GB 755-2019 旋转电机 定额和性能》标准要求，20℃时高压电机定子绕组绝缘电阻应满足：3kV 电机≥300MΩ，6kV 电机≥600MΩ，10kV 电机≥1000MΩ。若绝缘电阻低于标准值的 70%，则表明绝缘存在老化或受潮；若绝缘电阻低于 100MΩ（6kV 电机），则需进一步检测是否存在击穿隐患。
介损（tanδ）测试用于检测绝缘材料的介质损耗程度，反映绝缘内部是否存在老化、受潮或局部缺陷。测试采用介损测试仪，在额定电压下测量 tanδ 值，测试温度同样以 20℃为基准。正常情况下，高压电机定子绕组 tanδ 值（20℃）应≤0.03；当绝缘老化或受潮时，tanδ 值会显著增大，若超过 0.05，则表明绝缘性能严重下降，需进行修复或更换；若 tanδ 值随电压升高而明显增大，说明绝缘内部存在局部放电，可能发展为击穿故障。
2.2 局部放电检测法
局部放电是指绝缘内部存在缺陷（如气泡、杂质、裂缝）时，在电场作用下缺陷处发生的局部电离放电，是绝缘老化、击穿的早期征兆。局部放电检测法能在电机运行或停电状态下检测局部放电量，实现故障的早期预警，适用于绝缘老化、匝间短路的早期诊断，是高压电机定子绕组故障诊断的关键方法之一。
局部放电检测主要采用脉冲电流法、超高频（UHF）法两种方式。脉冲电流法通过检测绕组两端的脉冲电流信号来计算局部放电量，检测灵敏度较高，可检测到 1pC 以下的放电量；超高频法通过检测局部放电产生的超高频电磁波（300MHz-3GHz）来定位放电位置，定位精度可达 5cm 以内。根据《DL/T 1573-2016 高压电机局部放电现场检测导则》要求，高压电机定子绕组在额定电压下的局部放电量应≤10pC；若局部放电量在 10-50pC 之间，表明绝缘存在轻微缺陷，需加强监测；若超过 50pC，则表明绝缘存在严重缺陷，需立即停机检修。
2.3 红外热成像检测法
红外热成像检测法利用红外热像仪捕捉定子绕组的温度分布图像，通过分析温度异常区域来诊断故障，适用于匝间短路、对地击穿、绕组断线等故障的定位检测，具有非接触、可视化、可在线检测的优点。
定子绕组正常运行时，温度分布应均匀，各相绕组温度差应≤5℃；若存在匝间短路，短路匝处因环流产生大量热量，会形成局部高温点，温度较正常区域高 10-20℃；若存在对地击穿，击穿点周围绝缘烧毁，温度会升高 15-25℃；若存在绕组断线，断线相电流为零，温度较其他相低 8-12℃。根据《GB/T 19806-2005 高压交流电机定子绕组匝间绝缘试验方法》要求，红外热成像检测时，电机应在额定负载下运行 30min 以上，待温度稳定后进行测试，确保温度数据准确。
3 高压电机定子绕组故障修复工艺
3.1 故障绕组拆除工艺
故障绕组拆除是修复的前提，需避免损伤电机铁芯（硅钢片），确保后续嵌线质量。拆除工艺主要包括以下步骤：
首先，电机解体，拆除端盖、轴承、转子，露出定子铁芯与绕组；然后，对定子绕组进行加热软化绝缘层，加热方式采用热风加热或蒸汽加热，加热温度控制在 80-100℃（若温度超过 120℃，会导致铁芯硅钢片间绝缘损坏），加热时间根据绕组大小确定，通常为 2-4h，直至绝缘层软化（用手触摸绕组表面可轻微变形）；接着，使用专用工具（如绕组拔出器）将故障绕组从铁芯槽中拔出，拔出过程中力度要均匀，避免强行拉扯导致铁芯槽变形；最后，清理铁芯槽内的残留绝缘碎片、漆渣，用砂纸打磨槽壁，确保槽壁光滑无毛刺，清理后用压缩空气（0.4-0.6MPa）吹扫铁芯槽，去除粉尘杂质。
拆除过程中需监测铁芯温度，每 30min 测量一次，确保温度不超过 100℃；若发现铁芯局部温度超过 110℃，应立即停止加热，自然冷却至 80℃以下后再继续操作。拆除后的铁芯需进行绝缘测试，铁芯对地绝缘电阻应≥1000MΩ（2500V 兆欧表），若绝缘电阻低于 500MΩ，需对铁芯进行绝缘处理（涂刷绝缘漆）。
3.2 新线圈制作工艺
新线圈的性能直接决定修复后电机的运行可靠性，需严格按照电机设计参数制作，主要包括导线选择、绝缘层绕制、线圈成型三个步骤。
导线选择方面，根据电机额定电流、温升要求选择铜导线，导线材质为 T2 紫铜，纯度≥99.95%，导线截面面积需与原设计一致（如 6kV、1000kW 电机定子绕组导线截面为 150mm²），导线表面应光滑无氧化、无划痕，直径偏差≤±0.05mm。
绝缘层绕制采用云母带（主绝缘）与玻璃丝带（辅助绝缘），云母带选用环氧玻璃布云母带，厚度为 0.14mm，云母含量≥90%；玻璃丝带厚度为 0.1mm，经纬密度为 120×100 根 / 10cm。绝缘层绕制厚度根据电机额定电压确定：3kV 电机主绝缘厚度≥2mm，6kV≥3mm，10kV≥4mm，绕制时采用半叠绕方式（重叠宽度为带材宽度的 1/2），绕制张力控制在 5-10N，确保绝缘层紧密无气泡。绕制完成后，在绝缘层表面涂刷一层环氧胶，胶层厚度为 0.05mm，增强绝缘层的附着力。
线圈成型采用专用模具，根据电机定子铁芯槽型（如梨形槽、梯形槽）调整模具尺寸，成型温度为 120-130℃，成型压力为 0.5-1MPa，成型时间为 30-60min，确保线圈形状与铁芯槽匹配，线圈直线段长度偏差≤±1mm，端部弧度偏差≤±0.5mm。成型后的线圈需进行绝缘测试，匝间绝缘电阻≥1000MΩ（1000V 兆欧表），匝间耐压测试（1.5 倍额定匝间电压，持续 1min）无击穿现象。
3.3 定子嵌线工艺
定子嵌线是将制作好的线圈嵌入铁芯槽内，需保证线圈位置准确、绝缘层完好，主要包括槽绝缘铺设、线圈嵌入、端部绑扎三个步骤。
槽绝缘铺设采用聚酰亚胺薄膜复合纸，厚度为 0.2mm，耐温等级与电机绝缘等级一致（如 B 级电机选用耐 130℃的复合纸）。槽绝缘纸的长度应比铁芯长度长 50mm（两端各伸出 25mm），宽度应覆盖槽壁两侧及槽底，铺设时绝缘纸应紧贴槽壁，无褶皱、无破损，槽口处绝缘纸需折叠成直角，防止嵌线时损伤。
线圈嵌入采用手工嵌线或机械嵌线，手工嵌线适用于小型电机（容量≤2000kW），机械嵌线适用于大型电机（容量＞2000kW）。嵌线时，先将线圈直线段缓慢插入铁芯槽内，插入速度控制在 50mm/s，避免绝缘层与槽壁摩擦；线圈端部需按照原设计角度布置（通常为 30°-45°），各线圈端部间距偏差≤±2mm。嵌线过程中，若发现绝缘层破损，需立即用环氧胶修补，修补后绝缘层厚度应不小于原厚度的 90%。
端部绑扎采用玻璃丝绳（直径 1mm，耐温等级与绝缘等级一致），绑扎间距为 20-30mm，绑扎张力控制在 3-5N，确保线圈端部固定牢固，无松动。绑扎完成后，在端部绝缘层表面涂刷一层环氧漆，漆层厚度为 0.1mm，增强端部绝缘性能。
3.4 修复后检测验证
修复后检测验证是确保修复质量的最后环节，需进行电气性能检测与外观检查，检测项目及标准如表 1 所示。
检测过程中，若某一项检测结果不合格，需分析原因并重新修复：如绝缘电阻偏低，需重新进行预烘、浸漆；局部放电量超标，需检查线圈绝缘层是否存在气泡，重新制作线圈；红外热成像检测存在高温点，需检查线圈是否嵌线不良，重新嵌线。所有检测项目合格后，方可进行电机组装，组装后需进行空载试运行（2h）、负载试运行（4h），试运行过程中电机振动速度≤2.8mm/s，噪声≤85dB（A），温升≤60K（环境温度 25℃），确保电机运行正常。
结语
高压电机定子绕组故障诊断与修复是保障电机安全稳定运行的关键技术，未来研究可进一步优化局部放电检测的抗干扰技术，提高复杂环境下的检测精度；开发智能化修复设备，实现线圈制作、嵌线、浸漆的自动化操作，提升修复效率与质量稳定性，为高压电机定子绕组故障处理提供更先进的技术支撑。
参考文献
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