大型發(fā)電機轉子接地故障真機模擬試驗分析

楊新志，李 偉，慎志勇

(中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

發(fā)電機轉子接地故障是機組最常見的故障之一[1-2]，如果發(fā)生轉子一點接地，繞組與地之間未構成回路，對勵磁電壓和流經(jīng)轉子的勵磁電流影響很小，基本不影響機組正常運轉[3]。如果不及時處理，極有可能發(fā)生兩點接地情況。假如發(fā)生兩點接地，轉子磁極部分被短路，使整個電機的氣隙磁場對稱性遭到破壞，磁場波形畸變，轉子震蕩加??；總電阻降低，勵磁電流增大，有可能發(fā)生轉子繞組本體被燒壞[4]。轉子接地故障查找常規(guī)方法有交流法與直流法，其故障判斷方法大致可分為電壓降法、電壓分布法、阻抗法等[5]。直流法對于一點接地基本準確，但是對于兩點接地因測量誤差與短路回路分流等原因導致測量出現(xiàn)一定的偏差，同時因大電流通過兩接地點形成回路，對轉子鐵芯也有一定的影響；同時對于不同的機組在使用相同的測量方法因干擾與內(nèi)部結構不同，導致測量結果各有不同。為能快速定位出故障位置、豐富試驗方法及總結數(shù)據(jù)規(guī)律，本文針對某電廠2臺增容改造前機組，利用真機模擬各種短路接地故障，使用交流壓降法、電壓分布法及阻抗法來查找各類故障，同時對比其優(yōu)劣，為今后該類型機組出現(xiàn)類似故障提供了試驗方法最優(yōu)選擇及數(shù)據(jù)支撐。

本次模擬試驗在某電廠增容改造前的6、21號機組上進行，該2臺機組基本相同，磁極數(shù)為96個，容量為12.5萬kW。

1 交流壓降法查找轉子金屬性及非金屬一點接地故障

1.1 試驗原理分析

交流壓降法的基本原理是發(fā)電機轉子引線兩側通過隔離變壓器通入恒值交流電源，當某點發(fā)生金屬性短路接地時，該短路點并沒有電流流過，只是把整個回路電壓零電位參考點由隔離變零點轉移至該接地點。測量轉子引線兩側對地電壓值及引線兩側的總電壓，兩側的對地電壓值大小即為該短路點到引線側的磁極上的電壓分量。因發(fā)電機轉子每個磁極是一樣的，每個磁極上的分壓基本相同，該引線側對地電壓值與總電壓值之比，為該引線側磁極所占總磁極的百分數(shù)，總磁極已知，即可算出該段引線到短路點的磁極數(shù)。

計算公式如下：

U=U1+U2

式中：U為引線兩側總電壓；N1為一側引線側通流磁極數(shù)量；N2為另一側引線側通流磁極數(shù)量；U1為一側引線對地電壓；U2為另一側引線對地電壓。

1.2 故障模擬及試驗接線

為驗證試驗的準確性，本次試驗在21號發(fā)電機設置了四組故障情況。轉子未吊出機坑，利用短接線將轉子45號磁極第12匝經(jīng)不同的電阻值接地，模擬轉子金屬性及非金屬一點接地故障,試驗接線圖如圖1所示。

圖1 轉子磁極一點接地試驗接線圖

1.3 試驗過程及結果分析

依圖進行不同接地電阻故障設置，使用兆歐表確定轉子故障設置成功。通過1號和96號磁極引線處對轉子磁極通入1 A交流。萬用表分別測量正極引線對地電壓和負極引線對地電壓以及正負極引線之間的電壓，并記錄數(shù)據(jù)，試驗結果如表1所示。

表1試驗數(shù)據(jù)中，以金屬性接地為例，計算值為45號磁極第13匝，而設置的接地點在45號磁極第12匝，誤差為1匝，其他電阻值時計算磁極數(shù)與實際接地磁極最大只有4匝的誤差。因此交流壓降法對發(fā)電機轉子一點金屬性和非金屬性故障判斷非常準確，對磁極那一匝短路判斷因受測量及干擾等因素影響，存在部分誤差。

表1 轉子金屬及非金屬性一點接地故障數(shù)表

2 交流壓降法、阻抗估算法、電壓分布法查找轉子兩點金屬性接地故障

2.1 試驗原理

轉子兩地接地交流壓降法與一點接地原理基本相同，只是通入電流后，兩個接地點之間磁極被短接，接地點之間的磁極無電流流過。此時零電位點變成了兩個短接點之間的部分。測量正極引線對地電壓值為正極引線與其相連一個短接點之間磁極數(shù)分壓，負極引線對地電壓為負極引線與另一短接點之間磁極分壓。通入電流不變，整個回路總電壓值比正常時少了兩個短接部分磁極分壓。同時電流正常狀態(tài)引線間的電壓值已知，故障狀態(tài)兩引線之間電壓值與正常狀態(tài)引線電壓值之比為兩點接地故障狀態(tài)回路磁極數(shù)，其他與一點接地電降法完全相同。

計算公式如下：

U總=U1+U2

式中：U為引線兩側總電壓；U正常為正常狀態(tài)下的總電壓21.03 V；N總為實際總磁極數(shù)；N1為一側引線通流磁極數(shù)量；N2為另一側引線通流磁極數(shù)量；U1為一側引線對地電壓；U2為另一側引線對地電壓。

阻抗估算法基本原理是測量單個正常磁極分壓及引線端對地的電壓值，引線對地的電壓值即短接點與引線之間的磁極分壓。單個磁極分壓已知，引線到短路點的分壓已知，即可計算出引線到短接點的磁極數(shù)量。

電位分布法基本原理是測量整個轉子磁極對地電壓值，對地電壓值突變?yōu)榱愕狞c即為短接點。但實際上短接部分還是有部分分流，不可能為零，只能是電壓突變?yōu)樽钚↑c為短路接地點。

2.2 故障模擬及試驗接線

本次試驗在6號發(fā)電機上進行，分別將69～70號磁極、13～14號磁極使用短接線將磁極間連片短路接地，模擬發(fā)電機轉子兩點接地故障，試驗接線圖如圖2所示。

圖2 兩點接地故障試驗接線圖

2.3 試驗過程及結果分析

在49、50號磁極間通入1 A交流，然后依次測量兩磁極引線處對地電壓，并記錄試驗數(shù)據(jù)，如表2、3所示。

表2 交流壓降法試驗數(shù)據(jù)表

表3 電壓分布法及阻抗法試驗數(shù)據(jù)表

由表2可見，利用交流壓降法計算的接地磁極號為14、70號磁極，與設置的故障點一致，該方法對故障判斷非常準確。

由表3可見，阻抗估算法中單個磁極的交流阻抗取0.835Ω，則串入回路的磁極個數(shù)約為46/0.835≈55個，其他與分壓法一樣，可得接地點計算值為69.05和15.05，69～70號處無偏差，13～14號磁極與實際設置故障點偏差一個磁極。

阻抗法計算時，不能取短路點磁極最鄰近的磁極阻抗作為標準值，因短路導致該部分磁極沒有電流流過，對鄰近的磁極無耦合磁鏈，整個阻抗值較小。如取該磁極作為標準計算阻抗，會帶來較大誤差。在實際工作中因不知道磁極短路點在何處，只能多測量幾個磁極阻抗，或者使用原始無短路數(shù)據(jù)作為標準值，這樣計算出來的數(shù)據(jù)基本誤差不大。同時從阻抗估算法可見，單個磁極交流阻抗受外界條件影響，都有部分差別，無論如何取值都會帶來誤差，但判斷基本準確。

從表3可見，使用電位分布法，電壓最低點就在69～70號、13～14號磁極，該方法方便、準確。但定位故障位置時，需測量全部磁極對地電壓值，費工費時，因此該方法不作為首選方法使用，可以結合阻抗法、或者電壓降法再次確認故障位置配合使用。

3 無隔離變交流電位分布法查找轉子磁極金屬性一點接地故障

3.1 試驗原理

直接通過變壓器給磁極引線一端通入交流恒流源，通過接地點與變壓器接形成回路。因接地點為零電位點，沿該通流引線側依次測量每一個磁極對地的電壓值，電壓值沿引線側不斷下降，直到接地點變?yōu)榱恪＠碚撋辖拥攸c的電壓為零，但是實際上因地回路也有部分電阻分流，所以測量的短路點對地不可能為零，只能是某一個最小值。

3.2 故障模擬及試驗接線

本試驗在6號發(fā)電機進行，共進行了兩次，通入電流不同，故障點設置也不相同。試驗接線圖如圖3所示。

圖3 電位分布法金屬性一點接地故障試驗接線圖

3.3 試驗過程及結果分析

依圖進行試驗接線，測量轉子絕緣，確定故障設置成功。在50號磁極引線側通入電流，第一次為1 A電流，第二次電流為2 A，并記錄試驗數(shù)據(jù)，如表4所示。

通過表4可見，隨著測量位置越接近故障點，磁極對地的電壓值也不斷降低，直至到故障點電壓變?yōu)樽钚?。然后從故障點繼續(xù)向前測量，磁極電壓值反而有緩慢上升，原因其一：短路點以外部分電路電阻不可能趨于無窮大，有部分細微分流；其二：短路點磁極磁場與相鄰磁極耦合磁鏈產(chǎn)生電勢，所以測量值反而增大。但是從表4可見，試驗電流增大到2 A之后，數(shù)據(jù)比較起來更加明顯，大電流會弱化干擾影響。因此在實際試驗中如果采用此方法查找故障，可適當加大試驗電流，減小干擾影響。

表4 電位分布法金屬性一點接地試驗數(shù)據(jù)表

4 無隔離變電位分布法查找轉子磁極低阻性接地故障

4.1 試驗原理

試驗原理同金屬性接地完全相同，只是通過滑動電阻接地，接地點出現(xiàn)了較大的分壓，接地點為整個轉子磁極對地電壓最小值點。

4.2 故障模擬及試驗接線

本試驗在6號發(fā)電機進行，通過滑動變阻器在69～70號磁極接頭處接地。試驗接線圖如圖4所示。

圖4 電位分布法非金屬性一點接地故障試驗接線圖

4.3 試驗過程及結果分析

依圖進行不同短接接地故障設置,測量轉子絕緣，確定故障設置成功。自50號磁極引線處通入1 A交流電流。在通交流電情況下，滑動變阻器阻抗為11.43 Ω；斷電情況下，測得滑動變阻器阻抗為1.2 Ω。試驗數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 電位分布法非金屬性一點接地故障試驗數(shù)據(jù)表 V

將表格中數(shù)據(jù)轉化為折線圖，其變化趨勢如圖5所示。

圖5 電壓分布法非金屬性一點接地故障試驗數(shù)據(jù)變化趨勢圖

從表5及圖5可見，從66號磁極之后，磁極對地電壓值基本上沒有太大變化，故障大概位置也能從試驗數(shù)據(jù)及圖表中分析出來。圖5可見短接點位置附近及后面的磁極對地電壓值基本接近于一條直線，完全準確判斷出故障磁極號就有一定的難度。雖然從數(shù)據(jù)上可見接地點69～70號磁極接頭電壓值最小，但相鄰磁極接地電壓與其相比差別并不大。如果故障位置的接地電阻分壓和回路磁極分壓相同，故障磁極范圍就會在增加一個磁極，因此該方法適用性相對差一些。

5 無隔離變電位分布法查找轉子兩點接地研究

5.1 試驗原理

與一點接地查找方式基本相同，需試驗進行兩次，從引線兩側各通入一次試驗電流，使用電位分布法分別找出兩次通流時的最小電壓值磁極號即為接地點位置。

5.2 故障模擬及試驗接線圖

本試驗在6號發(fā)電機進行，分別將69～70號、13～14號磁極間的接頭直接接地。試驗接線圖如圖6所示。

圖6 電位分布法兩點接地故障試驗接線圖

5.3 試驗過程及結果分析

依圖進行不同短路接地故障設置,測量轉子絕緣，確定故障設置成功。69～70號磁極接地故障試驗：自50號磁極引線處通入1 A交流；13～14號磁極接地故障試驗：自49號磁極引線處通入1 A交流。試驗數(shù)據(jù)如表6所示。

通過表6的試驗數(shù)據(jù)對比可見，69～70號、69～70號磁極接頭處-E電壓最低，接地點即為69～70號、69～70號磁極接頭。該方法能準確定位出接地點磁極號，但是該方法試驗過程相對繁瑣，需要基本完整的磁極數(shù)據(jù)，工作量較大，需要時間較多?？膳c阻抗估算法配合使用，提高效率。

表6 電位分布法兩點接地故障試驗數(shù)據(jù)

6 結 語

從以上各種試驗數(shù)據(jù)對比可見，理論分析與真機模擬試驗有部分差距。交流壓降法對于轉子一點金屬性及非金屬性接地，受外電路影響比較小，基本上能判斷到故障磁極的那一匝短路接地，相對非常準確；交流壓降法、阻抗估算法、電位分布法對于查找轉子兩點接地故障定位都存在部分誤差，主要受相關支路細微分流及外磁路的耦合磁鏈影響，但是這幾種方法相互結合對故障的查找速度及準確定位能起到事半功倍作用；無隔離變壓器電位分布法也因非通流回路部分磁極受通流磁極磁場影響，出現(xiàn)對地電壓大于接地點磁極對地電壓的情況，誤差較大，理論與試驗存在差距較大，使用性不強。 通過各種方式短路的試驗數(shù)據(jù)分析對比及規(guī)律分析，清晰可見各種查找短路點故障方式都有其特點，雖然一些方法對故障判斷有誤差但是基本準確。通過本次真機故障模擬試驗，為今后該類問題分析奠定了通過數(shù)據(jù)支撐及方法選擇基礎。

但因工期及試驗方案準備不足，導致故障模擬試驗也存在部分差距：兩機無同類型試驗數(shù)據(jù)對比；兩點非金屬性接地故障無模擬，試驗數(shù)據(jù)實際規(guī)律無法分析；試驗數(shù)據(jù)收集也不夠完整，特別是不經(jīng)隔離變壓器的電壓分布法對整個磁極變化數(shù)據(jù)并沒有收集完整，整個磁極變化情況并未知曉，對精準判斷故障數(shù)據(jù)走勢有部分影響，需要在今后在實際工作中不斷完善、積累。