660MW汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地故障查找及原因分析

摘 要：本文針對(duì)某電廠發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生的一點(diǎn)接地故障，對(duì)轉(zhuǎn)子接地故障過程進(jìn)行了介紹，并通過整個(gè)故障過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)接地故障進(jìn)行了分析，經(jīng)分析判斷，故障當(dāng)時(shí)確應(yīng)有轉(zhuǎn)子回路金屬性接地，通過一步步排查確定了故障點(diǎn)在轉(zhuǎn)子內(nèi)部。抽出轉(zhuǎn)子后，又通過內(nèi)窺鏡等非電量法及電壓分布法和兩極電壓法等方法確定了故障位置。其中，簡便判斷方法和解決方案對(duì)同類型故障處理有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)；轉(zhuǎn)子接地；故障點(diǎn)查找；原因分析

中圖分類號(hào)：TM312 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）04-0043-04

Finding and Cause Analysis of Grounding Fault of 660MW Turbogenerator Rotor

ZHANG Xingbin

（North China Electric Power Test and Research Institute，China Datang Corporation Science and Technology Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100040，China）

Abstract：In this paper，a point-to-point fault earthing of generator rotor in a power plant is discussed，the process of rotor grounding fault is introduced，and the grounding fault is analyzed through the relevant data of the whole fault process. It is judged that the fault should have metal grounding in the rotor circuit at that time，and the fault point is determined in the rotor through step-by-step investigation. After extracting the rotor，the fault location is determined by non-electric quantity method such as endoscope，voltage distribution method and bipolar voltage method. The simple judgment method and solution can be used for reference in the same type of fault treatment.

Keywords：generator；rotor grounding；fault point finding；cause analysis

1 概述

某發(fā)電廠9號(hào)機(jī)為國產(chǎn)660MW兩卷變單元機(jī)組，自并勵(lì)靜止勵(lì)磁，轉(zhuǎn)子冷卻方式為氫冷，發(fā)電機(jī)保護(hù)為南瑞繼保公司RCS-985G微機(jī)保護(hù)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)為ABB UNS3020繼電器型保護(hù)裝置，該廠勵(lì)磁系統(tǒng)圖如圖1所示。

9號(hào)機(jī)組在進(jìn)行勵(lì)磁系統(tǒng)空載試驗(yàn)時(shí)，DCS及勵(lì)磁控制柜同時(shí)發(fā)出轉(zhuǎn)子接地保護(hù)和轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地告警信號(hào)，并延時(shí)跳開滅磁開關(guān)，此時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓電流接近于零；轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)動(dòng)作之后，相關(guān)人員對(duì)此信號(hào)進(jìn)行復(fù)歸，發(fā)現(xiàn)該信號(hào)復(fù)歸不掉，隨即對(duì)轉(zhuǎn)子繞組（帶正負(fù)直流母線）進(jìn)行了絕緣檢查，發(fā)現(xiàn)絕緣為零。

根據(jù)故障時(shí)DCS記錄的數(shù)據(jù)，如表1所示，故障發(fā)生時(shí)勵(lì)磁電流、勵(lì)磁電壓并沒有明顯的波動(dòng)，并且滅磁開關(guān)跳閘發(fā)生在逆變滅磁之后，此時(shí)轉(zhuǎn)子電壓電流接近于零。

從表1中可以看出，9號(hào)發(fā)電機(jī)在整個(gè)運(yùn)行過程中，機(jī)端電壓和勵(lì)磁電壓電流比較平穩(wěn)。其中在05：27：21.896產(chǎn)生的短暫波動(dòng)和變化在機(jī)組運(yùn)行的正常范圍內(nèi)。

針對(duì)以上異常情況，在保護(hù)裝置信號(hào)無法復(fù)歸的情況下，對(duì)轉(zhuǎn)子及勵(lì)磁回路進(jìn)行了絕緣檢查，絕緣為零，無變化，綜合以上數(shù)據(jù)判斷接地性質(zhì)應(yīng)為穩(wěn)定性金屬接地。根據(jù)《汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行規(guī)程》6.3.5條的要求“當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生一點(diǎn)接地時(shí)，應(yīng)立即查明故障點(diǎn)與性質(zhì)，如系穩(wěn)定性的金屬接地，應(yīng)盡快安排停機(jī)處理。”停機(jī)取出所有碳刷之后，又分別對(duì)轉(zhuǎn)子及勵(lì)磁回路進(jìn)行了絕緣檢查，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子絕緣為零，無變化，勵(lì)磁回路絕緣良好，確定了接地點(diǎn)在轉(zhuǎn)子部分。

2 故障查找

根據(jù)故障時(shí)DCS記錄的數(shù)據(jù)與停機(jī)之后絕緣檢查的結(jié)果分析，判斷故障當(dāng)時(shí)確應(yīng)有轉(zhuǎn)子回路金屬性接地，所以應(yīng)重點(diǎn)檢查勵(lì)磁小軸、聯(lián)軸器處的極掌及其連接螺栓部分的絕緣。經(jīng)過進(jìn)一步檢查，先排除了兩個(gè)集電環(huán)導(dǎo)電螺釘及絕緣套存在問題的可能性，又排除了兩個(gè)護(hù)環(huán)下導(dǎo)電螺釘至1號(hào)線圈引線存在問題的可能性，至此，基本上確定接地點(diǎn)在轉(zhuǎn)子內(nèi)部，10月30日在拆開端蓋之后又用直流壓降法初步判斷接地點(diǎn)在A極#7槽（如圖3所示），但具體是在端部還是在直線部分、第幾層仍不能確定，需抽出轉(zhuǎn)子后做進(jìn)一步檢查。

2.1 轉(zhuǎn)子的絕緣檢查

9號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子抽出堂外之后，為了進(jìn)一步確定接地點(diǎn)位置，對(duì)轉(zhuǎn)子又進(jìn)行了進(jìn)一步的檢查。

2.1.1 采用內(nèi)窺鏡檢查

為了查尋發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，盡可能避免對(duì)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)和繞組的拆卸，首先采用非電量測(cè)量方法，利用內(nèi)窺鏡對(duì)轉(zhuǎn)子內(nèi)部進(jìn)行排查。當(dāng)拆除發(fā)電機(jī)上端蓋內(nèi)外端蓋后，首先對(duì)端部進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢查，當(dāng)轉(zhuǎn)子抽出后，用內(nèi)窺鏡又細(xì)心地對(duì)兩端護(hù)環(huán)下的繞組及絕緣墊塊進(jìn)行仔細(xì)檢查。尤其應(yīng)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組出線處進(jìn)行重點(diǎn)觀察。其他可觀察到的地方也逐一進(jìn)行觀測(cè)檢查?？傊?，對(duì)于所有能用內(nèi)窺鏡觀測(cè)到的地方都進(jìn)行了檢查。檢查未見異常。

2.1.2 轉(zhuǎn)子的清掃

當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)窺鏡檢查完成后，對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行清掃，采用大功率吸塵器和高壓壓縮空氣對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子表面、通風(fēng)孔道等部位進(jìn)行認(rèn)真吹掃，吹掃同時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子繞組的絕緣情況，絕緣情況未見好轉(zhuǎn)。

2.2 轉(zhuǎn)子繞組接地點(diǎn)查尋測(cè)量方法及接線

綜合上述情況及現(xiàn)場條件的制約，決定采用繞組電壓分布法來判斷轉(zhuǎn)子繞組接地點(diǎn)的具體位置。繞組電壓分布法也稱為直流壓降法，原理與直流電阻比較法相同，其接線如圖2所示。

在轉(zhuǎn)子繞組兩端，施加直流電流，用電壓表測(cè)量轉(zhuǎn)子繞組各匝對(duì)轉(zhuǎn)子軸的電壓U，圖2中Rg為接地點(diǎn)電阻。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地為可靠性低阻（幾歐姆）接地時(shí)，可以根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組各匝的對(duì)地電壓分布來分析判斷接地的線圈位置。

現(xiàn)場實(shí)際測(cè)量中采用DSM600型直阻測(cè)試儀，施加電流35.3A，此時(shí)轉(zhuǎn)子端部AB極之間電壓為3V，測(cè)得數(shù)據(jù)如圖3和圖4所示。

其中圖3為轉(zhuǎn)子在膛內(nèi)時(shí)打開端蓋后測(cè)量的結(jié)果，從圖3的測(cè)量結(jié)果可以看出，在#7槽勵(lì)側(cè)端部右角測(cè)量直流對(duì)地電壓為0.048V，#8槽端部左角測(cè)量的直流對(duì)地電壓為-0.328V（B極測(cè)量值全部為負(fù)，A極#7槽之前數(shù)值全部為正），所以接地點(diǎn)應(yīng)在#7槽上，但是因?yàn)樗鶞y(cè)數(shù)據(jù)都為最底匝繞組，而#7槽線圈纏繞方向?yàn)樽韵露?，所以此值包含?7槽的所有線圈，因此不能判斷接地點(diǎn)在#7槽的端部還是直線部分，抽出轉(zhuǎn)子后又重新進(jìn)行了測(cè)量，分別測(cè)得最底匝線圈和最上匝線圈所測(cè)數(shù)據(jù)如圖4所示，因此為最上匝所測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)最上匝線圈數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)子繞組繞線結(jié)構(gòu)（每個(gè)槽內(nèi)9匝，每極72匝，單號(hào)槽纏繞方向?yàn)樽韵露?，雙號(hào)槽纏繞方向?yàn)樽陨隙拢┛梢耘袛喙收宵c(diǎn)在#7槽端部。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果決定只需扒勵(lì)側(cè)一側(cè)護(hù)環(huán)。

扒開勵(lì)側(cè)護(hù)環(huán)后，經(jīng)檢查在A極#7槽端部靠近頂匝過橋線的位置發(fā)現(xiàn)了故障點(diǎn)，根據(jù)故障點(diǎn)的情況和轉(zhuǎn)子接地保護(hù)動(dòng)作情況分析，應(yīng)為金屬性異物通過通風(fēng)口打到絕緣板之后，通過不斷放電緩慢地發(fā)展成為穩(wěn)定性的金屬性接地。

在找到故障點(diǎn)之后，現(xiàn)場又用兩極電壓測(cè)定的方法確定了轉(zhuǎn)子繞組沒有發(fā)生匝間短路，兩極電壓測(cè)定法的試驗(yàn)接線如圖5所示，a、b分別為正、負(fù)極，o為轉(zhuǎn)子繞組中點(diǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組為高阻狀態(tài)下，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組正、負(fù)極兩端施加交流電壓，分別測(cè)量轉(zhuǎn)子繞組中點(diǎn)到兩極的交流電壓值，判斷轉(zhuǎn)子繞組的匝間絕緣情況，公式如下：

Z1=Z2；Uao=Ubo

Uab=Uao+Ubo

當(dāng)Uao和Ubo的不平等度較大時(shí)，即可判斷為有匝間短路故障或可以判定絕緣缺陷在哪一極。用兩極電壓判定繞組的匝間絕緣情況具有一定的靈敏度。

現(xiàn)場實(shí)際測(cè)量Uab=229V，Uao=114.4V，Ubo=114.5V，Uao與Ubo相差0.1V，去除測(cè)量誤差的影響Uao=Ubo，因此可以判定轉(zhuǎn)子繞組無匝間短路。

3 原因分析

通過對(duì)9號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子缺陷的處理，我們認(rèn)為該故障屬于轉(zhuǎn)子繞組端部“穩(wěn)定性金屬性接地故障”。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場所看到的故障情況進(jìn)行綜合分析，該故障是由金屬性異物造成的。在擊穿點(diǎn)已經(jīng)燒穿的絕緣板上，可觀察到有少量金屬熔化物，說明事故發(fā)生時(shí)應(yīng)有金屬性異物打穿絕緣板導(dǎo)致轉(zhuǎn)子頂層繞組與護(hù)環(huán)放電，進(jìn)而燒穿絕緣板導(dǎo)致穩(wěn)定性接地，鑒于此發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)為松弛結(jié)構(gòu)，槽楔在軸向有微小滑動(dòng)和徑向振動(dòng)，繞組與槽襯間不夠緊密，在發(fā)電機(jī)長期運(yùn)行及多次起停機(jī)的過程中，槽楔、阻尼條及絕緣塊發(fā)生竄動(dòng)磨擦，加之長時(shí)間的積累效應(yīng)，并在出風(fēng)區(qū)產(chǎn)生的出風(fēng)渦流的作用下，使污穢逐漸進(jìn)入發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組絕緣間，降低了繞組的絕緣水平。從故障點(diǎn)來看，此處正好為出風(fēng)區(qū)，從而可以證明這一點(diǎn)。大型汽輪發(fā)電機(jī)都存在一定的污穢現(xiàn)象，但應(yīng)在允許的范圍內(nèi)。如果其僅僅存在污穢問題，并不能直接導(dǎo)致絕緣降低的問題，與國內(nèi)其他發(fā)電機(jī)比較，該機(jī)的污穢情況是非常輕微的，國內(nèi)有些污穢較嚴(yán)重的發(fā)電機(jī)仍然能保持良好的絕緣狀態(tài)，只有當(dāng)金屬性異物與污物相互作用，并且進(jìn)入合適的位置時(shí)，才能造成絕緣降低的后果。如果有金屬異物存在，那么勢(shì)必產(chǎn)生金屬性接地故障現(xiàn)象，并且在擊穿后一般會(huì)伴有金屬殘骸出現(xiàn)。

4 結(jié) 論

本次故障處理對(duì)燒穿的絕緣板進(jìn)行了更換，并對(duì)轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行了清理，處理之后按《電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB50150-2006》進(jìn)行檢測(cè)，所做各項(xiàng)試驗(yàn)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。要從根本上杜絕此類事故的發(fā)生，除了制造廠家在設(shè)備制造過程中要加強(qiáng)質(zhì)量管理外，還要在安裝設(shè)備時(shí)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定對(duì)質(zhì)量進(jìn)行把關(guān)。此次發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地故障的查找、分析和處理方法凸顯了理論與實(shí)踐相結(jié)合的重要性，對(duì)同類故障的查找及處理具有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李建明，朱康.高壓電氣設(shè)備試驗(yàn)方法 [M].（第2版）.北京：中國電力出版社，2001.

[2] 王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理及應(yīng)用 [M].（第2版）.北京：中國電力出版社，2001.

作者簡介：張興濱（1984-），男，漢族，河北昌黎人，高級(jí)工程師，本科，研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置、電力系統(tǒng)計(jì)算、電力系統(tǒng)分析。