直流系統(tǒng)接地故障分析及處理

摘? 要：轉(zhuǎn)子接地故障現(xiàn)象在水電站時有發(fā)生，輕則一點接地報信號故障，如果發(fā)生兩點接地就會嚴重會影響機組設(shè)備、系統(tǒng)的安全運行，通過多次對電站直流系統(tǒng)接地的分析，特別是對直流回路的碳刷、磁極線圈、引線的絕緣研究。對雙灘水電站的實際案例分析和對故障的處理，確定了直流系統(tǒng)故障處理時應(yīng)該重點思考的故障點，從而為電力系統(tǒng)發(fā)電機組出現(xiàn)類似問題有針對性地提出解決思路和指導(dǎo)方法。

關(guān)鍵詞：磁極;軸領(lǐng);盤車;操作油管

Abstract：Rotor grounding fault often occurs in hydropower stations. If there is light grounding fault，one point grounding will report signal fault. If two-point grounding occurs，it will seriously affect the safe operation of the unit equipment and system. Through the analysis of the grounding of the DC system of the power station for many times，especially the insulation research of the carbon brush，pole coil and lead wire of the DC circuit. Based on the analysis of the actual case of Shuangtan hydropower station and the treatment of the fault，the fault points that should be considered in the DC system fault treatment are determined，so as to put forward the solutions and guidance methods for the similar problems of the power system generating units.

Keywords：magnetic pole;shaft collar;turning gear;operating oil pipe

0? 引? 言

水電站水輪發(fā)電機是發(fā)電系統(tǒng)重要的設(shè)備核心部件，隨著機組運行時間的增加，碳刷長久磨損并日積月累產(chǎn)生大量的粉塵，在滑環(huán)、絕緣膠木、碳刷吊架之間造成直流系統(tǒng)一點接地或兩點接地;也有可能轉(zhuǎn)子繞組磁極線圈絕緣老化造成接地;也可能磁極線圈之間接頭的直流電阻過大進而由于Q=I2RT溫度升高使其絕緣破壞而形成轉(zhuǎn)子接地故障;也有可能是磁極引線長期在高溫的環(huán)境中工作老化，絕緣被破壞。本文通過分析處理雙灘水電站轉(zhuǎn)子一點接地故障實例，提出了實用可靠的分析方法和處理措施，總結(jié)出可行的經(jīng)驗。

1? 機組概況

雙灘水電站位于巴中市通河下游距離平昌縣城20 km處，該電站水輪發(fā)電機組型號為SF12-28/5100，結(jié)構(gòu)采取普通傘式，額定功率為12.43 MW。發(fā)電機采用三相凸極同步發(fā)電機，功率因數(shù)為0.8（滯后），額定勵磁電流590 A，額定勵磁電壓210 V，勵磁方式為可控硅靜止自勵，額定轉(zhuǎn)速為214.3 r/min。于2009年修建成功投產(chǎn)，全自動化運行至今安全運行10年。

2? 事件概況及判定

2.1? 事件概況

2019年9月28日，值班人員在雙灘水電站1號發(fā)電機組運行過程中聽到中控室監(jiān)控系統(tǒng)連續(xù)報警“1G轉(zhuǎn)子一點接地”，運行值班人員迅速趕赴發(fā)電機層查看保護屏柜保護裝置，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子接地呈現(xiàn)紅色報警信號，發(fā)電機差動保護，失磁保護，后備保護均正常，且機組運行正常，巡視人員查看各表計：

（1）有功功率;

（2）無功功率表;

（3）發(fā)電機母線電壓表;

（4）機組推力油槽、瓦溫、上導(dǎo)、下導(dǎo)瓦溫度均正常;

（5）巡視人員連續(xù)幾次手動復(fù)歸轉(zhuǎn)子一點接地，復(fù)歸后很快又報動作信號，根本不能復(fù)歸，說明不是誤動，系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)出警報。

于是巡視人員立即報告中控室內(nèi)值班長現(xiàn)場情況，運行負責(zé)人決定征得省調(diào)同意后迅速將負荷轉(zhuǎn)到2G，停1G，隨即匯報公司技術(shù)部負責(zé)人處理。

2.2? 事故的分析以及處理

雙灘水電站發(fā)電機組采用BD-13轉(zhuǎn)子一點接地保護裝置，當轉(zhuǎn)子直流系統(tǒng)只有一點接地時，因為沒有電流通過故障點，不會對機組造成任何危害。如果發(fā)生兩點接地則故障電流非常大，會破壞轉(zhuǎn)子磁場的對稱性而產(chǎn)生不平衡磁場和機械力，導(dǎo)致機組發(fā)生劇烈震動，機端出口電壓下降（欠勵）定子電流急劇上升，此時兩點接地應(yīng)動作跳閘，而造成機組非停受省調(diào)考核。

檢修人員到達現(xiàn)場，分析該現(xiàn)象的各種可能：

（1）保護裝置軟故障造成誤報，保護裝置本身故障;

（2）滅磁開關(guān)接地故障;

（3）碳刷經(jīng)常運行而磨損的灰塵與大軸、刷架、集電環(huán)連成一體造成接地;

（4）磁極和磁極相連接的地方，接觸不良而直流電阻增大，機組帶滿負荷時勵磁電流大，接觸點溫度升高，接頭融化與阻尼環(huán)接觸造成接地故障;

（5）任何一極磁極引線在長期運行中因溫度高而老化損壞造成接地。

針對以上集中情況，檢修班組按照操作規(guī)程、安全規(guī)范落實好安全措施，填寫好工作票并經(jīng)過許可，開始制定檢修方案計劃，包括進度和質(zhì)量。首先檢查保護裝置，沒有發(fā)現(xiàn)問題，并用同型號的新的保護裝置代替舊裝置，故障并沒有消除。于是解開滅磁柜下端勵磁回路正負極引線，檢查柜內(nèi)沒有任何異常。用500 V絕緣表測試轉(zhuǎn)子回路，絕緣阻值為0 Ω。判斷問題出在勵磁引線到磁極這一部分，首先在集電環(huán)上下分別解開兩根正、負極引線，并用500 V絕緣表分別測試引線的正、負極的絕緣，測試結(jié)果均為6 GΩ，說明引線完好無損。再同樣測試滑環(huán)與磁極連接的部分，測得阻值為0 Ω。運用多年的檢修和運行經(jīng)驗，先用低壓氣反復(fù)吹掃上、下集電環(huán)、碳刷、刷架，以及磁極引線與大軸的連接部分，并用白布加汽油逐一擦拭干凈。再打開發(fā)電機蓋板，仔細分別檢查了14對磁極的連接處是否有燒毀后接地的跡象，目測均沒有發(fā)現(xiàn)任何問題。系統(tǒng)接地問題仍然無法得到解決。于是決定將轉(zhuǎn)子兩端的磁極與通過軸領(lǐng)下端引出線的接頭拆卸下來，再用絕緣表分別測試整個轉(zhuǎn)子部分的絕緣，引線經(jīng)過軸領(lǐng)的正負極，結(jié)果發(fā)現(xiàn)28個磁極相連完好無損，絕緣也符合要求，正極至磁極的那部分絕緣完好，但負極至磁極部分絕緣阻值為0 MΩ。這段引線從上軸領(lǐng)進到下軸領(lǐng)出，一共只有1.50 m長度，銅排全部嵌進了軸領(lǐng)然后用絕緣膠木壓板壓緊。為找到準確的接地點，檢修人員拆掉受油器、上操作油管、油盆、發(fā)電機端罩、集電環(huán)等相關(guān)部件，將引線進出端外層的絕緣木剝開，仔細檢查發(fā)現(xiàn)上端頭絕緣良好，但下端與大軸相連接處以前纏的絕緣玻璃絲帶、涂刷的絕緣漆都已經(jīng)老化脫落，銅排外露并無大軸體相接觸而形成接地。

3? 故障處理

為了將問題根除，決定還必須拆除發(fā)電機上導(dǎo)瓦、油盆、受油器等相關(guān)部件，拔出嵌入軸領(lǐng)的全部引線，并重新做絕緣防護措施。采用三相交流大電流發(fā)生器，12個發(fā)熱板，連續(xù)加熱整個軸領(lǐng)。引線上端頭用卸扣通過2 T的葫蘆懸吊在行車的吊鉤上，利用金屬熱脹冷縮特性的原理，當軸領(lǐng)整體溫度升高后，提升行車，拔出磁極引線。逐層剝?nèi)ヒ郧鞍惭b時的絕緣層，用特制的專用工具清潔軸領(lǐng)上引線槽的殘留絕緣料，并用汽油清洗干凈，引線的兩端20 cm內(nèi)采用砂紙打磨干凈，除去銹跡和殘留物。使用絕緣紗帶重新嚴密層層纏繞，四周涂抹絕緣漆，盡量讓絕緣漆浸透白紗帶，正面上下層用絕緣電膠木遮擋，軸面先涂抹一層絕緣漆，經(jīng)過500 V搖表測量，重新纏繞的引線絕緣為10 GΩ，符合要求，如圖1所示。然后將引線以及絕緣墊層使勁嵌入到軸領(lǐng)原來的引線槽內(nèi)，兩側(cè)分別嵌入絕緣板并緊固引線上下端頭，引線兩端用自攻螺絲緊固，再做整體絕緣測試符合要求，引線兩段出軸領(lǐng)處用環(huán)氧樹脂做加固處理，避免機組運行過程中引線再次震動松脫而與大軸摩擦，損壞引線的絕緣。

4? 機組回裝

故障點處理完畢，回裝上導(dǎo)瓦、上操作油管等，盤車機組操作油管，軸領(lǐng)找正，通過用行車對機組連續(xù)旋轉(zhuǎn)一周甚至數(shù)周，在軸領(lǐng)上下和水導(dǎo)+x和+y方向均架設(shè)一只合格的百分表，分別均勻找8點測試，記錄相關(guān)擺度數(shù)據(jù)并分析，如圖2如示。同樣的方法對上操作油管盤車找正。盤車是回裝調(diào)試的重要內(nèi)容，必須把擺度調(diào)整到最小范圍，雙向擺度一般不超過0.2 mm，并對比上次機組大修時的檢修盤車記錄，綜合分析機組狀態(tài)符合要求后，方可回裝油蓋、端罩、受油器、槳葉傳感器和指針等其他相關(guān)附屬設(shè)施?；匮b過程中特別注意用白布填塞住操作油管的孔口，避免雜物誤入。

發(fā)電機主要設(shè)備部件回裝完畢并符合要求，連接磁極正、負極引線至上下滑環(huán)，清潔碳刷和刷架，按標準規(guī)范連接軸領(lǐng)兩側(cè)引線和磁極兩段，安裝好碳刷及彈簧，然后對整個回路做清掃，在勵磁柜出口端用500 V絕緣變測試整個磁極回路絕緣為4 GΩ，符合要求。同時用直流電阻測試儀測直流電阻為0.02 MΩ，符合設(shè)計要求，然后將其回路接入柜內(nèi)，重新開啟1G并入電網(wǎng)運行，投入保護屏的轉(zhuǎn)子一點接地裝置，故障消失復(fù)歸，裝置不再報警。

5? 結(jié)? 論

發(fā)電機轉(zhuǎn)子一點接地是機組不正常的運行狀態(tài)，盡管一點接地時并沒有電流流過故障點，勵磁回路的參數(shù)會保持不變，發(fā)電機仍可繼續(xù)運行，但其對地電壓有所改變，在最不利時有可能產(chǎn)生兩點接地，所以應(yīng)該選擇停機檢修消除故障。因為一點接地往往是兩點接地的前奏，如果造成兩點接地，兩個接地點之間流過很大的短路電流，所產(chǎn)生的電弧可以燒毀勵磁繞組的鐵心和繞組，氣隙對稱性遭到破壞，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子劇烈震動，這對發(fā)電機本身都十分有害，對凸極式轉(zhuǎn)子的水輪發(fā)電機危害更大，因此在保護系統(tǒng)報警轉(zhuǎn)子一點接地時必須足夠重視，停機排除故障或檢修，確保機組運行可靠安全。通過本次對故障點的分析和排障，給我們以后同樣的問題提供了借鑒的依據(jù)、思路和方法。

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作者簡介：李志瓊（1982.07—），女，漢族，四川巴中人，電氣工程師，本科，研究方向：水利發(fā)電。