水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障分析及處理

劉 俠，劉貞超，黃 焱

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水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障分析及處理

劉 俠，劉貞超，黃 焱

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司錦屏水力發(fā)電廠，四川 西昌 615000）

本文對(duì)某大型水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障進(jìn)行了分析和查找，發(fā)現(xiàn)了勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)單相接地會(huì)引起轉(zhuǎn)子接地保護(hù)動(dòng)作，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)如果勵(lì)磁變低壓側(cè)為△接線且勵(lì)磁整流電路采用6脈動(dòng)橋式全控整流電路，勵(lì)磁電流和電壓的變化以及勵(lì)磁變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作與勵(lì)磁變低壓側(cè)單相接地沒有必然聯(lián)系。本文通過此次轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地的處理，得出以下結(jié)論，當(dāng)發(fā)電機(jī)在空轉(zhuǎn)狀態(tài)下轉(zhuǎn)子接地保護(hù)正常而加勵(lì)磁后接地保護(hù)動(dòng)作，且接地故障位置計(jì)算值在50%左右時(shí)，應(yīng)該同時(shí)考慮勵(lì)磁繞組50%位置是否接地以及勵(lì)磁變低壓側(cè)單相接地的可能，而且不能僅從勵(lì)磁電流和電壓未變化或勵(lì)磁變差動(dòng)保護(hù)未動(dòng)作來判斷勵(lì)磁變低壓側(cè)沒有接地。本文得出的結(jié)論對(duì)同類型故障的處理有重要的參考價(jià)值和現(xiàn)場依據(jù)。目前尚未見到針對(duì)勵(lì)磁變低壓側(cè)單相接地對(duì)轉(zhuǎn)子保護(hù)動(dòng)作影響的相關(guān)文獻(xiàn)。根據(jù)此文結(jié)論，在實(shí)際應(yīng)用中，可以避免在故障查找過程中被保護(hù)裝置故障定位數(shù)據(jù)所誤導(dǎo)，從而提高轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障處理的效率和準(zhǔn)確性。

水輪發(fā)電機(jī)；轉(zhuǎn)子；勵(lì)磁變低壓側(cè)；一點(diǎn)接地；故障定位

0 前言

某大型水力發(fā)電站有8臺(tái)600MW 機(jī)組，發(fā)電機(jī)部分由天津阿爾斯通公司制造。勵(lì)磁系統(tǒng)由磁極、集電環(huán)、轉(zhuǎn)子引線、勵(lì)磁電纜等組成，其中磁極有正負(fù)極性2種類型，共36個(gè)。集電環(huán)外圓加工成螺旋溝槽，正負(fù)極滑環(huán)單元分布采用分半布置。轉(zhuǎn)子引線沿轉(zhuǎn)子支架斜立筋，通過轉(zhuǎn)子中心體，沿頂軸內(nèi)腔到轉(zhuǎn)子集電環(huán)。勵(lì)磁電纜通過電纜橋架，一端接集電環(huán)，另一端接勵(lì)磁直流開關(guān)。

由于勵(lì)磁回路的復(fù)雜性，發(fā)生一點(diǎn)接地故障后，需要排查的點(diǎn)有很多。針對(duì)目前大部分轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地的分析和查找均為轉(zhuǎn)子本體和勵(lì)磁直流回路，本文給出了勵(lì)磁變低壓側(cè)單相接地將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)動(dòng)作這一全新的思路，并進(jìn)行了深刻的分析，能夠更加全面地排查轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障。目前尚未見到針對(duì)勵(lì)磁變低壓側(cè)單相接地對(duì)轉(zhuǎn)子保護(hù)動(dòng)作影響的相關(guān)文獻(xiàn)[4-10]。

1 故障現(xiàn)象

2015年3月20日17:00:22，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)“1號(hào)機(jī)組注入式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地報(bào)警、1號(hào)機(jī)組注入式轉(zhuǎn)子接地裝置報(bào)警”，注入式轉(zhuǎn)子接地測量裝置顯示電阻值在0~11.40KΩ之間跳變。經(jīng)查詢CCS報(bào)文，在17:00:22至17:05:05期間，CCS上有多次注入式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)報(bào)警信號(hào)，最長持續(xù)時(shí)間為17s，最短持續(xù)時(shí)間為3s，總共報(bào)警9次?，F(xiàn)場人員將把手切換至乒乓式后，乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)于2016年03月20日17:05:29出口跳閘，跳閘后檢查注入式及乒乓式保護(hù)裝置顯示電阻值均為300kΩ，接地位置為50%，接地電阻恢復(fù)正常。機(jī)組停運(yùn)后，故障信號(hào)消失。

2 故障查找和處理過程

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障的原因主要有以下三個(gè)：一是轉(zhuǎn)子磁極接地；二是轉(zhuǎn)子磁極外圍設(shè)備接地（包括集電環(huán)、勵(lì)磁引線、勵(lì)磁裝置、勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)等）；三是保護(hù)裝置或保護(hù)回路異常[4-10, 14]。

停機(jī)后從勵(lì)磁盤柜測得集電環(huán)、勵(lì)磁引線和轉(zhuǎn)子磁極回路靜態(tài)絕緣電阻：=253MΩ；隨后檢查轉(zhuǎn)子磁極外圍設(shè)備并盤車檢查轉(zhuǎn)子磁極均未發(fā)現(xiàn)明顯的接地點(diǎn)，將滑環(huán)和勵(lì)磁引線的碳粉進(jìn)行清潔后測得絕緣電阻：=1290MΩ，合格[3];為了排除轉(zhuǎn)子磁極動(dòng)態(tài)接地的可能性，我們?cè)谕顺霰Ｗo(hù)裝置且不加勵(lì)磁的情況下讓發(fā)電機(jī)空轉(zhuǎn)進(jìn)一步檢查，在轉(zhuǎn)速從0升至額定轉(zhuǎn)速的過程中，我們測量轉(zhuǎn)子的升速絕緣電阻=1290 MΩ，1號(hào)機(jī)組空轉(zhuǎn)運(yùn)行正常[7]；同時(shí)檢查功率柜、直流開關(guān)柜、轉(zhuǎn)子絕緣監(jiān)測裝置等設(shè)備均無異常，故障錄波裝置記錄的波形顯示故障前后勵(lì)磁電流、勵(lì)磁電壓均無明顯變化，勵(lì)磁差動(dòng)保護(hù)未動(dòng)作，從而判斷勵(lì)磁回路無異常；然后檢查保護(hù)裝置各試驗(yàn)數(shù)據(jù)均正常，并對(duì)保護(hù)裝置進(jìn)行動(dòng)作試驗(yàn)，動(dòng)作均正常。綜上所述，初步判斷為保護(hù)回路異常而引起故障。

由于保護(hù)裝置報(bào)接地位置在50%處，再次檢查了17、18、19號(hào)三個(gè)磁極[8-10]，還是未發(fā)現(xiàn)明顯接地點(diǎn)，于是更加堅(jiān)定地往保護(hù)回路故障的方向進(jìn)行排查。首先檢查發(fā)電機(jī)大軸接地碳刷位置，防止因大軸接地碳刷緊固不牢、接觸不良或沾上油污等因素而造成誤報(bào)現(xiàn)象。我們測量大軸對(duì)地電阻值=0.23Ω，滿足要求。但同時(shí)發(fā)現(xiàn)，大軸表面刷了一層絕緣油漆且未干透，接地碳刷表面因?yàn)榕c大軸旋轉(zhuǎn)摩擦也附著有大量油漆，油漆會(huì)導(dǎo)致大軸接地電阻增大[2, 12]。

從注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的原理可知，如圖1所示，當(dāng)大軸接地電阻增大為x時(shí)，保護(hù)裝置測量的轉(zhuǎn)子繞組接地電阻會(huì)存在誤差g’，對(duì)乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)存在相同的影響。計(jì)算公式如下：

其中，Us為注入電源模塊，α為接地位置，Rm為測量回路電阻，Rc為注入大功率電阻，和分別為有無Rx時(shí)的測量回路電流。

因此懷疑接地碳刷與大軸間在旋轉(zhuǎn)時(shí)因絕緣油漆導(dǎo)致接觸不良，從而造成大軸對(duì)地電阻值不斷變化，導(dǎo)致保護(hù)裝置采樣偏差而頻繁報(bào)警。通過盤車測量大軸對(duì)地電阻x最大為3MΩ左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過保護(hù)裝置該阻值不大于1Ω的要求。為了確認(rèn)這一原因，我們用脫漆劑和酒精對(duì)大軸和接地碳刷接觸的環(huán)面進(jìn)行了徹底的清潔，并更換了新的接地碳刷，隨后再次盤車，測量大軸對(duì)地電阻在0.3Ω以內(nèi)，滿足了保護(hù)裝置對(duì)接地電阻的要求。

隨后申請(qǐng)開機(jī)至空轉(zhuǎn)態(tài)進(jìn)行檢查，此時(shí)注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)電阻值為300kΩ，并未發(fā)現(xiàn)任何異常。當(dāng)加勵(lì)磁轉(zhuǎn)至空載狀態(tài)后注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)動(dòng)作，測得故障相對(duì)位置仍為50%。通過這次開機(jī)試驗(yàn)基本排除了保護(hù)裝置回路故障的可能。從故障發(fā)生節(jié)點(diǎn)可以看出，當(dāng)機(jī)組空轉(zhuǎn)時(shí)，接地保護(hù)并未動(dòng)作，而當(dāng)加載勵(lì)磁之后，接地保護(hù)隨即動(dòng)作。因此我們將故障原因轉(zhuǎn)向了勵(lì)磁系統(tǒng)部分，推翻了之前勵(lì)磁系統(tǒng)正常的結(jié)論[11]。我們先從勵(lì)磁變低壓側(cè)開始仔細(xì)排查，結(jié)果測得勵(lì)磁變低壓側(cè)絕緣電阻為0，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁變B相低壓側(cè)銅排有鐵絲掉落而導(dǎo)致勵(lì)磁變低壓側(cè)單相接地。由于該鐵絲是從柜頂通風(fēng)孔逐漸滑落的，且勵(lì)磁變低壓側(cè)銅排刷有絕緣漆，因而造成勵(lì)磁變低壓側(cè)間歇性一點(diǎn)接地，這也驗(yàn)證了保護(hù)裝置報(bào)間歇性接地故障的現(xiàn)象。將鐵絲清除并對(duì)勵(lì)磁變仔細(xì)檢查后，測量其絕緣電阻正常，檢查勵(lì)磁回路其他裝置亦無異常，隨后再次申請(qǐng)開機(jī)，空轉(zhuǎn)態(tài)時(shí)注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)無報(bào)警信號(hào)。繼續(xù)加勵(lì)磁至空載態(tài)，注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)電阻值為300kΩ，并未發(fā)現(xiàn)任何異常。至此，1號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障消除。

3 故障分析

經(jīng)過理論分析，我們發(fā)現(xiàn)了勵(lì)磁變低壓側(cè)單相接地時(shí)勵(lì)磁差動(dòng)保護(hù)未動(dòng)作的原因。第一，由于本廠勵(lì)磁變低壓側(cè)為△接線，當(dāng)發(fā)生一點(diǎn)接地時(shí)，故障電流僅有很小的電容電流，勵(lì)磁電流變化很??；第二，本電廠的勵(lì)磁整流電路采用6脈動(dòng)橋式全控整流電路，在正常運(yùn)行時(shí)，滅磁開關(guān)處于合閘狀態(tài)，整流輸出相當(dāng)于直接與勵(lì)磁繞組相連，如圖2所示。

圖2 勵(lì)磁變低壓側(cè)B相接地故障示意圖

如果勵(lì)磁變低壓側(cè)B相金屬性接地，當(dāng)晶閘管VT4導(dǎo)通時(shí)，相當(dāng)于勵(lì)磁繞組負(fù)極接地，當(dāng)晶閘管VT3導(dǎo)通時(shí)，相當(dāng)于勵(lì)磁繞組正極接地；那么在1個(gè)工頻周期內(nèi)，勵(lì)磁繞組的正極和負(fù)極各有1/2的時(shí)間接地，使得故障時(shí)勵(lì)磁電壓也不會(huì)發(fā)生變化[1]。基于以上兩點(diǎn)可以得出，勵(lì)磁電流和電壓未變化或勵(lì)磁變差動(dòng)保護(hù)未動(dòng)作并不能反應(yīng)勵(lì)磁變低壓側(cè)單相接地故障。

從乒乓式保護(hù)原理分析，其保護(hù)原理等效電路圖如圖3所示，當(dāng)S1合閘S2分閘時(shí)，勵(lì)磁電壓為u，回路電流為i1、i2，當(dāng)S2合閘S1分閘時(shí)，勵(lì)磁電壓為u’，回路電流為i1’、i2’，可以得出接地相對(duì)位置計(jì)算公式為：

根據(jù)圖3所示電路計(jì)算，當(dāng)勵(lì)磁變低壓側(cè)接地時(shí)，隨著晶閘管VT3和VT4的交叉導(dǎo)通，勵(lì)磁繞組在正極接地和負(fù)極接地兩種狀態(tài)之間變換。當(dāng)勵(lì)磁電壓保持不變時(shí)，經(jīng)過計(jì)算可以得到，i1’=i2，i1=i2’代入式（2）可得為50%，即勵(lì)磁變低壓側(cè)發(fā)生單相接地時(shí)，乒乓式保護(hù)的故障位置與大軸接地電阻無關(guān)，始終顯示為50%，與本次故障現(xiàn)場實(shí)際情況一致，同時(shí)也消除了故障相對(duì)位置與大軸接地電阻存在必然聯(lián)系的疑惑[13]。

至于發(fā)電機(jī)空轉(zhuǎn)（未加勵(lì)磁）時(shí)保護(hù)沒有動(dòng)作而加勵(lì)磁后保護(hù)就動(dòng)作，是因?yàn)楫?dāng)發(fā)電機(jī)處于空轉(zhuǎn)態(tài)（未加勵(lì)磁）時(shí)，注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)并未動(dòng)作的原因是整流模塊可控硅未打開，注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的方波電流無法注入。而當(dāng)增加勵(lì)磁轉(zhuǎn)至空載態(tài)時(shí)，滅磁開關(guān)合閘，此時(shí)整流模塊可控硅導(dǎo)通，使注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)方波電流形成導(dǎo)通回路，從而使注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的范圍從勵(lì)磁整流模塊延伸到了勵(lì)磁變低壓側(cè)。所以當(dāng)勵(lì)磁變低壓側(cè)接地時(shí)，如果勵(lì)磁整流模塊可控硅打開（加勵(lì)磁），注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)也會(huì)報(bào)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地信號(hào)[11,15]。

4 結(jié)論

通過此次對(duì)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障的查找及分析，我們得出以下結(jié)論：（1）勵(lì)磁電流和電壓未變化或勵(lì)磁變差動(dòng)保護(hù)未動(dòng)作不能反應(yīng)勵(lì)磁變低壓側(cè)無單相接地故障；（2）當(dāng)發(fā)電機(jī)在空轉(zhuǎn)狀態(tài)下轉(zhuǎn)子接地保護(hù)正常而加勵(lì)磁后接地保護(hù)動(dòng)作，且勵(lì)磁繞組一點(diǎn)接地電阻計(jì)算值小于保護(hù)裝置定值，接地故障位置計(jì)算值在50%左右時(shí)，除了檢查勵(lì)磁繞組50%位置是否接地，還應(yīng)考慮勵(lì)磁變低壓側(cè)單相接地的可能。

本文為轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障提供了新的思路，對(duì)同類型故障的判斷有重要的參考價(jià)值和現(xiàn)場依據(jù)，可以顯著提高轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障排查的效率。

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Analysis and Treatment of Rotor One Point Grounding Fault for Hydroelectric Generator

LIU Xia, LIU Zhenchao, HUANG Yan

(Yalong River Hydropower Development Co., Ltd., Xichang 615000, China)

This paper analyzed one point grounding fault of a large hydroelectric generator and located the grounding fault, and found that the single-phase grounding of the low voltage side of the excitation transformer will cause the rotor grounding protection action, and also found that if the low voltage side of excitation transformer is △connection and excitation rectifier circuit using 6 pulse rectifier circuit, the variation of excitation current and voltage and the operation of the excitation differential protection are not necessarily related to the single-phase grounding at the low voltage side of the excitation transformer. In this paper, through the rotor one point grounding treatment, the following conclusions are obtained, when the generator is in the idling state, the rotor ground protection is normal and the excitation grounding action is taken, and the calculation value of the grounding fault position is about 50%, it is necessary to consider whether the 50% position of the excitation winding is grounded or not and the possibility of single-phase grounding at the low voltage side of the excitation transformer at the same time, and even if the excitation current and voltage are not changed or the excitation differential protection is not operated, we can not to judge that the excitation transformer is not grounded at the low voltage side. The conclusions obtained in this paper have important reference value and field basis for the treatment of the same type of fault. According to the conclusion of this paper, in practical application, misleading of the fault location data of protection device can be avoided in the process of fault finding, thus improving the efficiency and accuracy of rotor one point ground fault processing.

hydro-generator; rotor; low voltage side of excitation transformer; one point earthing; fault location

TM307+.1

A

1000-3983(2017)06-0040-04

2016-10-31

劉俠（1987-），2009年畢業(yè)于長沙理工大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)從事水電廠電氣一次設(shè)備的檢修維護(hù)和高壓試驗(yàn)工作，工程師。