一起發(fā)電機轉(zhuǎn)子一點接地故障的查找及處理

陳國棟

(大唐淮南洛河發(fā)電廠，安徽 淮南 232008)

0 引言

發(fā)電機轉(zhuǎn)子發(fā)生一點接地故障時，由于沒有構(gòu)成電流通路，對發(fā)電機不會造成直接的危害，發(fā)電機可以繼續(xù)運行。但此時接地極對地電壓降低，非故障極對地電壓升高；當接地為金屬性接地時，接地極電壓為0，非故障極電壓升高為轉(zhuǎn)子電壓，就有可能再發(fā)生第2 個接地故障點。若再次發(fā)生另一點接地而形成2 點接地故障時，不僅故障電流可能會造成轉(zhuǎn)子鐵芯或護環(huán)嚴重燒壞，而且由于一部分轉(zhuǎn)子繞組被短接而破壞了轉(zhuǎn)子磁場的對稱性，使得機組發(fā)生劇烈的振動和轉(zhuǎn)子鐵芯被磁化。因此，當發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生一點接地時，應迅速采取措施消除故障，恢復機組正常運行。

1 機組運行方式

某電廠5 號發(fā)電機組為上海電機廠生產(chǎn)的QFS-600-2 型水氫氫冷卻發(fā)電機組，發(fā)電機勵磁方式采用機端自并勵方式，發(fā)電機出口并接1 臺山東金曼克公司生產(chǎn)的ZLS-6 300/20 干式勵磁變(Yd11，20/0.88 kV)作為勵磁電源。勵磁調(diào)節(jié)器選用上海成套發(fā)電設(shè)備研究所引進瑞士ABB 公司技術(shù)生產(chǎn)的Unitrol 5000 勵磁調(diào)節(jié)器，它通過可控硅整流橋控制勵磁電流來調(diào)節(jié)同步發(fā)電機端電壓和無功功率。系統(tǒng)配備專門的轉(zhuǎn)子接地保護檢測裝置UNS 3020a 來檢測同步發(fā)電機勵磁繞組的接地故障。

2 轉(zhuǎn)子接地保護工作原理

轉(zhuǎn)子接地保護裝置UNS 3020a 是一個獨立保護繼電器，采用惠斯頓電橋原理來測量轉(zhuǎn)子繞組與大軸之間的接地電容，以監(jiān)視轉(zhuǎn)子繞組對地絕緣水平(見圖1)。

圖1 轉(zhuǎn)子接地保護原理

保護輸入電路一端利用匹配電容(CK1，CK2)連接到勵磁繞組的正負極，另一端經(jīng)接地碳刷連接在大軸上。2 只高值電阻R 和調(diào)整電容CX、轉(zhuǎn)子繞組與大地之間的自然電容CR，匹配電容CK1和CK2 共同組成R/C 測量電橋，正常情況下CK1 和CK2 大于CR。測量橋的輔助電源既可由獨立的交流電源供電，也可由發(fā)電機出口電壓互感器供電。電橋按標準非故障情況校準平衡，即跨越電橋的電壓值U最小。與大軸相連的橋臂應在最初安裝時，通過測量轉(zhuǎn)子繞組，包括所有轉(zhuǎn)子供電電纜的電容來進行初始化。當發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生接地故障時，轉(zhuǎn)子繞組電容被故障漏電阻分流，則電橋平衡被打破，跨越電橋的電壓值U上升，根據(jù)U的大小決定發(fā)出報警(Stage l alarm)或跳閘(Stage 2 trip)。

該保護裝置的特點是：保護兩段設(shè)置，I 段報警，II 段跳閘，每段接地電阻設(shè)定值和延時時間可單獨調(diào)整；保護接線簡單，沒有死區(qū)，勵磁繞組上任一點的接地靈敏度基本相近，可用作整個發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路(包括功率可控硅和勵磁變壓器二次側(cè))接地故障保護。但是，電橋平衡容易受轉(zhuǎn)子碳刷和大軸接地碳刷接觸電阻的影響；對疊加交流電源的頻率要求較嚴格；測量臂為復數(shù)臂，因此調(diào)節(jié)電橋平衡比較麻煩。

3 異常現(xiàn)象

2011-05-06，電廠5 號發(fā)電機小修后啟動，進行發(fā)電機空載試驗。當發(fā)電機端電壓升至80 %額定值(16 kV)時，轉(zhuǎn)子一點接地保護I 段報警信號發(fā)出。測量轉(zhuǎn)子一點接地保護裝置電橋輸出電壓約600 mV 且有上升趨勢；立即對勵磁系統(tǒng)直流側(cè)進行檢測，發(fā)電機轉(zhuǎn)子電壓正負對地均為52 V左右，且對稱變化。繼續(xù)升壓至額定值(20 kV)，穩(wěn)定運行約2 min，轉(zhuǎn)子一點接地保護裝置電橋輸出電壓升至2 000 mV，轉(zhuǎn)子一點接地保護II 段動作跳閘。發(fā)電機跳閘后，使用500 V 搖表測量發(fā)電機轉(zhuǎn)子線棒絕緣電阻為2 MΩ；測量轉(zhuǎn)子一點接地保護裝置電橋輸出電壓穩(wěn)定于50 mV。

重新對發(fā)電機進行空載升壓，同時密切監(jiān)視轉(zhuǎn)子一點接地保護裝置電橋輸出電壓的變化趨勢。發(fā)現(xiàn)該電壓值隨著發(fā)電機端電壓的升高而逐漸增大。當發(fā)電機端電壓升高至額定值時，該電壓值再次達到2 000 mV，轉(zhuǎn)子一點接地保護II段再次動作跳閘。

4 檢查及處理經(jīng)過

4.1 發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組絕緣檢測

機組啟動前，測量發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組對地絕緣電阻為1.5 MΩ。在發(fā)電機轉(zhuǎn)速為3 000 r/min 且未加勵磁情況下，測量轉(zhuǎn)子回路對地絕緣電阻大于1 MΩ，可以排除“發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組存在接地現(xiàn)象”這一原因。

4.2 發(fā)電機大軸接地碳刷檢查

發(fā)電機大軸接地碳刷在運行中經(jīng)常會因磨損、積灰塵等原因造成接觸不良。大軸接地碳刷接觸不好時，在大軸上會產(chǎn)生軸電壓。軸電壓中含有基波、高次諧波和噪聲分量，它們經(jīng)過大軸與轉(zhuǎn)子繞組間的分布電容到達轉(zhuǎn)子繞組，經(jīng)由轉(zhuǎn)子接地裝置的電容和軸電壓抑制器到達電橋一臂，越過電容達到接地信號測量端(U)，造成輸出電壓不規(guī)則波動。分布電容的變化能造成轉(zhuǎn)子接地裝置誤發(fā)接地報警信號，甚至在極端條件下可能誤發(fā)跳閘信號。

就地檢查發(fā)電機大軸2 塊接地碳刷，接觸良好，無跳躍、冒火等異?，F(xiàn)象；碳刷辮與連接電纜接觸完整，連接牢固。因此，可以排除“由于接地碳刷接觸因素而影響轉(zhuǎn)子接地保護輸出”這一原因。

4.3 發(fā)電機滑環(huán)碳刷檢查

發(fā)電機碳刷與轉(zhuǎn)子滑環(huán)接觸不良也會造成電橋平衡被破壞，從而影響保護裝置測量端輸出的電壓信號。

對發(fā)電機轉(zhuǎn)子滑環(huán)及碳刷進行檢查：各碳刷接觸面完好，刷辮無斷股或松動，均壓彈簧安裝牢固、壓力均勻、活動自如，盤車時無跳動現(xiàn)象；滑環(huán)表面清潔、圓整，無劃傷和發(fā)熱痕跡；風道暢通。因此，可以排除“發(fā)電機滑環(huán)碳刷與轉(zhuǎn)子滑環(huán)接觸不良”這一原因。

4.4 機組運行工況檢查

機組運行過程中，振動突變造成接地碳刷與大軸接觸不良、勵磁通道切換產(chǎn)生的高頻電壓脈沖、發(fā)電機出口電壓波動等因素可能引起轉(zhuǎn)子一點接地保護裝置電橋輸出電壓的突然增大。轉(zhuǎn)子一點接地保護2 次動作跳閘時，機組維持3 000 r/min 的轉(zhuǎn)速，各軸承振動均小于70μm，無明顯變化；勵磁調(diào)節(jié)器A 通道運行，B 通道自動跟蹤，未切換；轉(zhuǎn)子接地保護裝置采用UPS 裝置供電方式，發(fā)電機端電壓變動也不會引起保護裝置電橋輸出電壓增大。因此，可以排除“由于運行工況變化而影響保護裝置輸出”這一原因。

4.5 轉(zhuǎn)子接地保護裝置UNS 3020a 檢查

若保護裝置匹配電容配制及電橋平衡沒有調(diào)到最優(yōu)狀態(tài)，則在發(fā)電機正常運行期間，裝置輸出電壓始終存在一定的電壓，且電壓值與不平衡度成正比關(guān)系。依據(jù)轉(zhuǎn)子一點接地保護裝置調(diào)試導則，在發(fā)電機未加勵磁情況下，通過電容匹配，調(diào)整接地保護裝置電橋輸出電壓低于60 mV。在2 次保護動作發(fā)電機滅磁后，測量電橋輸出電壓約53 mV，因此可以排除“轉(zhuǎn)子一點接地保護裝置電橋不匹配”這一原因。

4.6 勵磁回路交流側(cè)檢查

根據(jù)發(fā)電機升壓后轉(zhuǎn)子一點接地保護輸出電壓的變化趨勢以及上述檢測情況分析判斷，勵磁回路確實存在接地點，且接地點可能在勵磁變低壓側(cè)，在整流柜可控硅導通期間，轉(zhuǎn)子繞組對地電容短接(見圖2)，使電橋平衡破壞，引起電橋輸出電壓上升。

圖2 三相橋式整流電路

使用500 V 搖表測量勵磁變低壓側(cè)三相對地絕緣電阻，發(fā)現(xiàn)C 相對地絕緣電阻為0，其余兩相絕緣電阻正常。因此，對一次回路進行詳細查找，發(fā)現(xiàn)勵磁變低壓側(cè)C 相出口至共箱母線軟連接線與外殼伸縮節(jié)處的橡膠皮接觸。將軟連接線與橡膠皮分離后，C 相對地絕緣電阻恢復正常。

處理后再次將發(fā)電機升壓至額定值，接地保護裝置輸出電壓小于200 mV，遠低于600 mV 的報警值，轉(zhuǎn)子回路正負極對地絕緣電阻也均正常，機組成功并網(wǎng)運行。

5 防范措施

由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子在運行中高速旋轉(zhuǎn)，長期運行后在離心力的作用下，轉(zhuǎn)子線棒會發(fā)生輕微松動、移位并磨損絕緣，再加上勵磁電流熱效應造成的絕緣劣化，會引發(fā)一點接地故障。在發(fā)電機轉(zhuǎn)子發(fā)生一點接地故障時，不應局限在直流回路查找故障點，而應將檢查范圍擴大到勵磁裝置的交流側(cè)，以免貽誤時機，造成故障的擴大。

此外，發(fā)電機組檢修期間，因各設(shè)備單體絕緣監(jiān)督測量的需要，對發(fā)變組各設(shè)備間軟連接進行拆接工作。在恢復接線工作時，必須嚴格執(zhí)行檢修工藝要求，確保設(shè)備對地絕緣保持足夠安全距離。

6 結(jié)束語

發(fā)電機組在未加勵磁狀況下，由于可控硅元件未導通，因此機組啟動前的定轉(zhuǎn)子絕緣檢測無法反映勵磁回路交流側(cè)對地絕緣情況，所以在出現(xiàn)發(fā)電機轉(zhuǎn)子對地絕緣下降的異常時，不僅要詳細檢查直流回路對地絕緣，還應該結(jié)合現(xiàn)場實際，對勵磁回路交流側(cè)進行查找。