八鋼熱電3#發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地故障分析及處理

王海濤

（新疆八一鋼鐵有限公司能源中心）

1 前言

為充分利用八鋼富余煤氣，降低煤氣放散，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，2013年3月八鋼熱力分廠擴(kuò)建一臺25MW次高溫次高壓3#發(fā)電機(jī)組，機(jī)組通過富余煤氣產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)行發(fā)電和冬季供暖，冬季利用蒸汽壓差發(fā)電，為八鋼老區(qū)供應(yīng)低壓蒸汽。3#發(fā)電機(jī)組自2013年11月安裝完成并網(wǎng)后，每年冬季并網(wǎng)運(yùn)行正常。2018年11月17日3#發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電后，正常運(yùn)行至12月17日轉(zhuǎn)子接地保護(hù)動作出口跳閘。筆者針對此次事故現(xiàn)象的檢查、處理經(jīng)過進(jìn)行了分析，通過對故障的處理積累了經(jīng)驗(yàn)，為同類故障的判斷提供參考。

2 3#發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地對發(fā)電機(jī)運(yùn)行的影響

3#發(fā)電機(jī)與勵磁機(jī)的參數(shù)如表1。

表1 八鋼熱電3#發(fā)電機(jī)與勵磁機(jī)設(shè)備參數(shù)

發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中，由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速高、離心力大、轉(zhuǎn)子積灰、內(nèi)部受潮、絕緣材料老化及振動等原因，易造成轉(zhuǎn)子對地絕緣降低引發(fā)接地故障。轉(zhuǎn)子勵磁繞組與轉(zhuǎn)子鐵芯接觸，造成轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地是比較常見的故障，由于無電流通路，對發(fā)電機(jī)無直接危害，因此發(fā)電機(jī)可繼續(xù)運(yùn)行，待機(jī)組停機(jī)維修時進(jìn)行處理。

轉(zhuǎn)子發(fā)生一點(diǎn)接地后，如勵磁繞組其他點(diǎn)絕緣降低時，可能發(fā)生轉(zhuǎn)子回路的第二點(diǎn)接地。勵磁回路兩點(diǎn)接地后構(gòu)成短路電流通路，可能燒壞轉(zhuǎn)子繞組和鐵芯。由于部分勵磁繞組被短接，破壞了磁場的對稱性，會引起機(jī)組振動加劇，此外轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地使汽輪發(fā)電機(jī)組的軸系統(tǒng)和汽缸磁化。

因此，當(dāng)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地以后，發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置會自動投入轉(zhuǎn)子二點(diǎn)接地保護(hù)，如再出現(xiàn)轉(zhuǎn)子其他點(diǎn)絕緣降低造成勵磁繞組接地時，保護(hù)裝置會判定轉(zhuǎn)子發(fā)生了兩點(diǎn)接地故障，發(fā)出跳閘命令解列發(fā)電機(jī)。

3 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地故障判別、查找與處理

3.1 3#發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地故障簡述

2018年12月17日17:02:17熱電廠3#發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置發(fā)出轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地低定值報(bào)警信號，電阻值7.3kΩ；轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)定值段整定20kΩ，動作于信號。緊接著17:02:28背壓發(fā)電機(jī)跳機(jī)，保護(hù)報(bào)文為：轉(zhuǎn)子二點(diǎn)接地，跳機(jī)值Δα=50%；Δα為勵磁繞組接地位置變化量，接地位置變化量定值為3%。技術(shù)人員用1000V搖表對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路進(jìn)行絕緣測量，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁回路絕緣電阻為600 MΩ，從絕緣電阻判斷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣電阻正常。初步檢查提示此次故障存在以下疑點(diǎn)：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)動作是否正確；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣是否發(fā)生破壞。

3.2 轉(zhuǎn)子接地故障判定

3.2.1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)工作原理

3#發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一、二點(diǎn)接地保護(hù)(64R1、64R2)采用DEP-561N保護(hù)裝置，接地保護(hù)采用乒乓（切換）采樣原理。乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置內(nèi)部設(shè)置電子開關(guān)S1、S2，在時序電路控制下周期性地導(dǎo)通、截止，即轉(zhuǎn)子的正、負(fù)極人為地周期性接地來監(jiān)測轉(zhuǎn)子的對地絕緣狀況。轉(zhuǎn)子接地保護(hù)測量回路原理如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子接地測量電路原理示意圖

圖1中E為發(fā)電機(jī)勵磁電壓，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組沒有接地故障時，圖1中的Rf不存在，電阻R1上電壓為零，裝置檢測顯示轉(zhuǎn)子回路絕緣良好。當(dāng)勵磁繞組經(jīng)電阻Rf發(fā)生一點(diǎn)接地時，正實(shí)數(shù)α為勵磁繞組接地點(diǎn)的位置（0≤α≤1），勵磁電勢等效為αE和(1+α)E；電阻R為高阻，R1為低阻，裝置在乒乓切換過程中取樣電阻R1上電壓分別為U1和U1＇，通過網(wǎng)孔方程計(jì)算Rf與α的值，確定接地過渡電阻的大小和故障位置。當(dāng)Rf值小于設(shè)定值Rfset時，保護(hù)裝置判定發(fā)生了一點(diǎn)接地故障。若此后再發(fā)生兩點(diǎn)接地故障，則計(jì)算的α值發(fā)生變化。當(dāng)變化值Δα值超過設(shè)定值Δαset時，保護(hù)裝置判定發(fā)生了兩點(diǎn)接地故障，發(fā)電機(jī)被立即跳閘。

3.2.2 轉(zhuǎn)子接地故障判定

3#發(fā)電機(jī)及保護(hù)裝置在11月17日并網(wǎng)開機(jī)前進(jìn)行了全面檢查與測試，轉(zhuǎn)子勵磁回路絕緣正常，保護(hù)傳動試驗(yàn)正常，保護(hù)裝置動作正確。跳閘前3#發(fā)電機(jī)所帶功率約為15MW，發(fā)電負(fù)荷平穩(wěn)，發(fā)電機(jī)兩側(cè)軸承振動值在要求范圍內(nèi)，不存在因負(fù)荷波動、振動增大導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子勵磁回路絕緣降低。12月17日3#發(fā)電機(jī)保護(hù)報(bào)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地報(bào)警信號后，經(jīng)過11分鐘后發(fā)電機(jī)跳機(jī)，保護(hù)報(bào)轉(zhuǎn)子二點(diǎn)接地；通過上述過程發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子絕緣電阻下降過程迅速，由一點(diǎn)接地后迅速發(fā)展為兩點(diǎn)接地，排除轉(zhuǎn)子勵磁回路由于絕緣緩慢劣化導(dǎo)致的接地故障。發(fā)電機(jī)跳閘后，技術(shù)人員檢查發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置內(nèi)部元器件，未發(fā)現(xiàn)異常；對勵磁系統(tǒng)與轉(zhuǎn)子連接的主回路絕緣電阻進(jìn)行檢查，勵磁正、負(fù)極外觀正常，調(diào)節(jié)器及滅磁電阻絕緣正常；對與轉(zhuǎn)子回路有電氣聯(lián)系的電壓、電流采樣板件進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常；對轉(zhuǎn)子磁極引線、勵磁系統(tǒng)直流匯流母排側(cè)外觀檢查均正常。通過上述檢查與分析，排除3#發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置誤動的可能，同時排除轉(zhuǎn)子勵磁回路外部故障導(dǎo)致的絕緣突然降低，初步判定勵磁回路轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)部分存在接地故障。

3.3 轉(zhuǎn)子接地故障的查找

3.3.1 無刷交流勵磁機(jī)工作原理

3#發(fā)電機(jī)配套的無刷交流勵磁機(jī)由一臺主勵磁機(jī)和一臺副勵磁機(jī)組成，主勵磁機(jī)采用一臺三相交流無刷勵磁機(jī)，副勵磁機(jī)采用一臺單相永磁發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子通過法蘭與同步發(fā)電機(jī)聯(lián)接在一起。其系統(tǒng)原理見示意圖2。

圖2 無刷交流勵磁機(jī)系統(tǒng)原理圖

主勵磁機(jī)是一臺三相同步發(fā)電機(jī)，其磁場靜止、電樞旋轉(zhuǎn)，電樞輸出的三相交流電經(jīng)同軸旋轉(zhuǎn)的三相旋轉(zhuǎn)整流裝置整流為直流，通入發(fā)電機(jī)磁場繞組，供給發(fā)電機(jī)勵磁，因它取消了電刷和滑環(huán)所以稱為無刷勵磁機(jī)；勵磁機(jī)電樞轉(zhuǎn)軸為空心，電樞繞組輸出的三相交流電，經(jīng)過整流裝置整流后變?yōu)橹绷麟?，通過位于轉(zhuǎn)軸中心孔內(nèi)的發(fā)電機(jī)導(dǎo)電桿接到同步發(fā)電機(jī)磁場繞組。

3.3.2 勵磁繞組接地故障的查找

通過對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)工作原理與無刷交流勵磁機(jī)工作原理分析，排除轉(zhuǎn)子勵磁回路外部故障的因素后，故障點(diǎn)初步判定在三相旋轉(zhuǎn)整流裝置、發(fā)電機(jī)磁場繞組、發(fā)電機(jī)導(dǎo)桿三個部分。

為最終確定故障部位，對發(fā)電機(jī)進(jìn)行沖轉(zhuǎn)，通過提升轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來確定接地點(diǎn)。在測試過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速0～1600 r/min時，轉(zhuǎn)子對地電阻為600 MΩ，且較為穩(wěn)定；繼續(xù)提升轉(zhuǎn)速到2500r/min時，轉(zhuǎn)子對地電阻降為450 MΩ，但此值滿足轉(zhuǎn)子運(yùn)行要求；為了找到確切的故障點(diǎn)于是繼續(xù)提升轉(zhuǎn)速至3000r/min，轉(zhuǎn)子對地電阻降為0 MΩ。

由此進(jìn)一步判定轉(zhuǎn)子勵磁繞組旋轉(zhuǎn)部分器件存在松動情況，在較低的轉(zhuǎn)速、離心力較低時還能維持絕緣正常，但隨著轉(zhuǎn)速增加到額定時，在巨大的離心力作用下松動部件多處接地。隨后將發(fā)電機(jī)無刷交流勵磁機(jī)與轉(zhuǎn)子繞組接點(diǎn)斷開做進(jìn)一步的檢查，確定故障點(diǎn)在無刷交流勵磁機(jī)側(cè)。

3.4 勵磁繞組接地故障的處理

通過對3#發(fā)電機(jī)勵磁機(jī)解體檢查發(fā)現(xiàn)主勵磁機(jī)三相旋轉(zhuǎn)整流環(huán)上整流二極管引線絕緣老化龜裂，部分絕緣皮及固定線路的環(huán)氧樹脂有脫落剝離，當(dāng)勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子高轉(zhuǎn)速時旋轉(zhuǎn)式，由于較大的離心力導(dǎo)致剝落的環(huán)氧樹脂及引線與整流環(huán)本體接觸導(dǎo)致轉(zhuǎn)子接地。

隨后技術(shù)人員對勵磁機(jī)勵磁盤上龜裂、破損的連接引線做絕緣包扎處理，并對引線刷涂絕緣漆、環(huán)氧樹脂固定，經(jīng)過48小時固化后回裝勵磁機(jī)，轉(zhuǎn)子靜止時絕緣電阻無窮，轉(zhuǎn)速升至3000r/min時絕緣電阻達(dá)到400 MΩ，接地故障已排除，于是將發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行。

4 結(jié)束語

由于此次3#發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地故障點(diǎn)隱蔽，在停機(jī)時較難通過絕緣測試發(fā)現(xiàn)，查找故障困難。通過此次故障的查找，暴露出了發(fā)電機(jī)組日常運(yùn)行維護(hù)管理方面存在的不足，現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)的方式方法有待改進(jìn)。為保證今后同類機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，采取了以下防范措施：對同類發(fā)電機(jī)組勵磁機(jī)點(diǎn)檢標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，增加對旋轉(zhuǎn)整流回路引線松動情況的解體點(diǎn)檢標(biāo)準(zhǔn)；增加在遙測勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣時，使用壓縮空氣對引線進(jìn)行吹掃，來模擬高轉(zhuǎn)速時的離心力，增加診斷發(fā)現(xiàn)此類故障的手段。

分析設(shè)備的故障記錄數(shù)據(jù)，掌握設(shè)備運(yùn)行工作原理是判斷故障的重要依據(jù)。當(dāng)故障查找的常規(guī)技術(shù)手段無效時，故障模擬重現(xiàn)是非常重要的查找途徑，同時應(yīng)拓寬思路，采取多種方法查找故障。