300 Mvar空冷調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)跳閘故障分析

張 沖，趙 強(qiáng)，高樹永，李延釗，安衛(wèi)民，劉志遠(yuǎn)

（國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司內(nèi)蒙古超特高壓分公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000）

0 引言

隨著特高壓直流工程大規(guī)模投產(chǎn)，電網(wǎng)跨區(qū)資源優(yōu)化配置能力顯著提高，傳統(tǒng)電網(wǎng)的潮流流動(dòng)方式與運(yùn)行特性發(fā)生變化，導(dǎo)致局部電網(wǎng)受電比例較高、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償不足，電壓穩(wěn)定性受到影響。為滿足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無功功率需求、保持電壓穩(wěn)定性，國家電網(wǎng)有限公司研究部署了新一代調(diào)相機(jī)工程[1-5]。轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障作為發(fā)電機(jī)組最常見的故障，在在運(yùn)調(diào)相機(jī)工程中也有發(fā)生[6-9]。本文對(duì)某廠站300 Mvar 空冷調(diào)相機(jī)組發(fā)生轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障的原因進(jìn)行了詳細(xì)分析，并針對(duì)轉(zhuǎn)子引線裝配工藝提出了優(yōu)化改進(jìn)措施。

1 故障簡述

某廠站調(diào)相機(jī)配置兩套轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置，一套為注入式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)，另一套為乒乓式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)。注入式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)在未加勵(lì)磁電壓的情況下也可以監(jiān)視轉(zhuǎn)子絕緣情況，轉(zhuǎn)子繞組任意一點(diǎn)接地時(shí)，保護(hù)靈敏度高且一致，能夠準(zhǔn)確反映接地位置和接地電阻值，符合大型機(jī)組的要求[10-15]。正常運(yùn)行時(shí)，優(yōu)先投入注入式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)裝置。該調(diào)相機(jī)配置雙端方波注入式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)裝置，該保護(hù)在轉(zhuǎn)子繞組的正負(fù)極兩端與大軸之間注入低頻方波電壓，實(shí)時(shí)計(jì)算轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地電阻值，并得出α值（轉(zhuǎn)子繞組接地位置百分比，負(fù)極為0%，正極為100%）。保護(hù)設(shè)置兩段，達(dá)到高定值段時(shí)報(bào)警，小于低定值段時(shí)報(bào)警或跳閘。該廠站低定值段接地電阻設(shè)置為2.5 kΩ，延時(shí)5 s跳閘。某次運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)動(dòng)作跳閘，錄波數(shù)據(jù)顯示接地電阻為0 kΩ，持續(xù)時(shí)間大于5 s。故障發(fā)生時(shí)的分散控制系統(tǒng)（Distribution Control System，DCS）數(shù)據(jù)顯示，轉(zhuǎn)子電氣回路的勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流出現(xiàn)明顯變化，調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不平衡振動(dòng)，且跳閘時(shí)轉(zhuǎn)子振動(dòng)最大位移達(dá)到0.136 mm?；谏鲜銮闆r，初步判斷調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子至少發(fā)生了一點(diǎn)接地故障。

2 現(xiàn)場檢查

現(xiàn)場對(duì)勵(lì)磁回路進(jìn)行了逐段檢查和試驗(yàn)，排除了勵(lì)磁系統(tǒng)回路及調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子集電環(huán)位置發(fā)生故障的可能性。進(jìn)行絕緣試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組接地電阻為0 Ω，無其他明顯異常現(xiàn)象，初步判斷故障點(diǎn)位于調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)部。拆開調(diào)相機(jī)端蓋對(duì)引線進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)一極引線燒熔，如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子引線燒熔Fig.1 Burning and melting of the rotor lead

調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子由整體合金鋼鍛件加工而成，直線段銅線采用鋼槽楔固定，端部銅線采用高強(qiáng)度合金鋼護(hù)環(huán)固定。轉(zhuǎn)子電氣回路由兩極轉(zhuǎn)子繞組、轉(zhuǎn)子引線、連接螺釘、引線螺釘、導(dǎo)電桿、集電環(huán)等組成。轉(zhuǎn)子引線為L 形布置，導(dǎo)電部分主體由多層含銀銅帶制成，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組與導(dǎo)電桿之間的電氣連接，并通過云母帶熱固絕緣及環(huán)氧板加工而成的絕緣盒實(shí)現(xiàn)其與轉(zhuǎn)軸之間的對(duì)地絕緣。轉(zhuǎn)子引線通過引線槽楔及鋼帶固定于軸柄的引線槽內(nèi)，通過緊固引線與導(dǎo)電桿之間的引線螺釘及連接螺釘實(shí)現(xiàn)電氣連接?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，燒熔位置位于連接螺釘壓緊引線區(qū)域的外側(cè)，如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子引線燒熔位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the melting position of the rotor lead

3 轉(zhuǎn)子拆解

3.1 宏觀檢查

拆除轉(zhuǎn)子兩端護(hù)環(huán)，對(duì)出線端、非出線端進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)其他燒損點(diǎn)或異常情況。拆開故障點(diǎn)對(duì)側(cè)轉(zhuǎn)子引線槽楔，對(duì)轉(zhuǎn)子引線、連接螺釘、引線螺釘進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)除引線僅在連接螺釘壓緊區(qū)域附近略有變形，其他區(qū)域的引線狀態(tài)良好，未見明顯異常。

拆除故障點(diǎn)處所有引線槽楔，對(duì)引線、連接螺釘、引線螺釘進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)處的引線自連接螺釘壓緊位置起存在80 mm 缺口，結(jié)合引線徑向部分位移量，判斷約有70 mm引線完全熔斷，如圖3所示。連接螺釘?shù)匿N柱、螺紋及表面鍍銀狀態(tài)良好，連接螺釘壓緊區(qū)域的引線基本完好，連接螺釘?shù)撞恳€銅片上遠(yuǎn)離熔斷點(diǎn)一側(cè)的一半?yún)^(qū)域表面鍍銀完好，未附著碳化物。故障點(diǎn)處引線螺釘?shù)慕饘俨糠譅顟B(tài)良好，頂部遠(yuǎn)離熔斷點(diǎn)一側(cè)的一小半?yún)^(qū)域表面鍍銀完好，未附著碳化物（與連接螺釘?shù)撞恳€銅片鍍銀面完好區(qū)域?qū)?yīng)），引線螺釘絕緣層表面附著碳化物，如圖4所示。

圖3 故障點(diǎn)處的引線及連接螺釘Fig.3 Lead wire and connecting screw at the fault point

圖4 故障點(diǎn)處的引線螺釘Fig.4 Lead screw at the fault point

3.2 化學(xué)成分分析及力學(xué)性能測試

采用直讀光譜儀對(duì)熔融物及轉(zhuǎn)子引線銅片進(jìn)行化學(xué)成分分析，測定結(jié)果如表1 所示。轉(zhuǎn)子引線銅片滿足要求（銅銀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于99.95%，銀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于0.085%），故障位置熔融物中除含有Cu、Ag外，還有少量Fe。

表1 各化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定值Tab.1 Determination value of mass fractions of each chemical component%

在靠近和遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子引線斷裂處分別取樣進(jìn)行力學(xué)性能測試，結(jié)果如表2所示。

表2 力學(xué)性能測試Tab.2 Mechanical property test

相同材質(zhì)的新銅片在退火前的力學(xué)性能滿足要求（抗拉強(qiáng)度不低于275 MPa，斷面收縮率不低于12%，彎曲180°后保持完好，硬度不低于18），故障點(diǎn)處轉(zhuǎn)子引線試樣的力學(xué)性能與相同材質(zhì)的退火后的新銅片的力學(xué)性能相當(dāng)。

3.3 金相組織分析

在靠近斷裂外和遠(yuǎn)離斷裂處分別取樣進(jìn)行金相組織分析，經(jīng)鑲嵌、粗磨、精磨、拋光后，用FeCl3溶液進(jìn)行腐蝕，如圖5 所示。遠(yuǎn)離斷裂處樣品的晶粒尺寸約為0.020 mm，未見Cu2O，為正常組織?？拷鼣嗔烟帲ň鄶嗔烟?0 mm范圍內(nèi)）樣品的晶粒在高溫影響下尺寸增大，約為0.090 mm，未見Cu2O，也為正常組織。

圖5 樣品的金相組織Fig.5 Metallographic structure of the samples

3.4 形貌分析

由圖6 可知，引線在距連接螺釘中心50 mm 處發(fā)生斷裂，連接螺釘處的轉(zhuǎn)子引線在非出線端方向上存在變形情況，呈橢圓形，最大間隙約6 mm?？拷B接螺釘一側(cè)的斷口發(fā)生約45°翹曲，斷裂面呈半圓形，較為平齊，但表面剮蹭、燒損、變形嚴(yán)重，有黑色附著物。根據(jù)斷口宏觀形貌分析可知，轉(zhuǎn)子引線在最終失效前受到沿長度方向的拉伸和徑向上的彎曲載荷，銅片在較高的溫度下熔化。

圖6 斷口宏觀形貌Fig.6 Fracture macro morphology

從轉(zhuǎn)子引線側(cè)面燒損處和斷裂處分別取樣，并通過S-3700掃描電鏡觀察微觀形貌。由圖7可知，側(cè)面燒損處樣品的表面較為光滑，局部區(qū)域存在孔洞；斷裂處樣品的表面也較為光滑，局部區(qū)域存在微裂紋及孔洞。

圖7 樣品微觀形貌Fig.7 Microstructure of the samples

4 故障發(fā)生過程及原因分析

4.1 故障發(fā)生過程分析

由上述分析可知，故障點(diǎn)處約70 mm 引線完全熔斷，這一過程需要的能量為3.28×105J。因此，可能出現(xiàn)的故障為轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地、轉(zhuǎn)子連接螺釘松動(dòng)或轉(zhuǎn)子引線斷裂。

清除引線燒損處的碳化物后，對(duì)轉(zhuǎn)子的絕緣電阻值進(jìn)行測量，為14.8 GΩ。轉(zhuǎn)子繞組除故障點(diǎn)外，其余位置對(duì)地絕緣狀態(tài)良好。引線與繞組焊接后（未與導(dǎo)電桿集電環(huán)連接時(shí)），進(jìn)行轉(zhuǎn)子交流阻抗、兩極電壓以及靜態(tài)RSO 試驗(yàn)[16-20]。結(jié)果表明，匝間絕緣合格。由此可知，除故障點(diǎn)外，轉(zhuǎn)子繞組無其他接地點(diǎn)，可以排除轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地的可能性。

轉(zhuǎn)子連接螺釘?shù)撞恳€銅片及引線螺釘頂部遠(yuǎn)離熔斷點(diǎn)一側(cè)的一小半?yún)^(qū)域表面鍍銀層均完好，未附著碳化物，說明在故障發(fā)生過程中，遠(yuǎn)離熔斷點(diǎn)一側(cè)的一小半?yún)^(qū)域處于壓緊狀態(tài)，基本不存在間隙。從圖8 的溫度場仿真結(jié)果可知，連接螺釘未松動(dòng)、電流為2381 A（額定電流）時(shí)，引線熔斷處的溫度為80.5 ℃，連接螺釘處的溫度為75.4 ℃；連接螺釘松動(dòng)、電流為2381 A（額定電流）時(shí)，引線熔斷處的溫度為78.1 ℃，連接螺釘處的溫度為77.8 ℃；連接螺釘松動(dòng)、電流為820 A（故障初始電流）時(shí)，引線熔斷處的溫度為55.3 ℃，連接螺釘處的溫度為55 ℃?？梢?，連接螺釘松動(dòng)并不能使溫度達(dá)到引線熔點(diǎn)，不能使引線熔斷。

圖8 轉(zhuǎn)子引線溫度場仿真Fig.8 Temperature field simulation of rotor lead

轉(zhuǎn)子引線斷裂會(huì)導(dǎo)致引線橫截面面積減小、電流密度增加、熱損耗增大、引線溫度升高。假定在最惡劣的情況下，僅余1片引線沒有斷裂（共36片，每片0.5 mm），溫度場仿真結(jié)果如圖9所示。當(dāng)電流為2381 A（額定電流）時(shí)，轉(zhuǎn)子引線最高溫度為188.9 ℃；當(dāng)電流為820 A（故障初始電流）時(shí)，轉(zhuǎn)子引線最高溫度為70 ℃。兩種情況下的轉(zhuǎn)子引線溫度均未達(dá)其熔點(diǎn)。轉(zhuǎn)子繞組是一個(gè)電感器，一旦轉(zhuǎn)子引線完全斷裂，斷口兩側(cè)將形成電弧，短時(shí)間內(nèi)釋放的能量會(huì)使引線燒熔。綜上所述，故障發(fā)生過程中，靠近連接螺釘壓緊區(qū)域的轉(zhuǎn)子引線因某種原因發(fā)生斷裂，斷口兩側(cè)形成電弧，瞬時(shí)釋放能量將引線燒熔。

圖9 引線僅余1片未斷裂時(shí)轉(zhuǎn)子引線溫度場仿真Fig.9 Temperature field simulation of rotor lead when only one unbroken piece of lead left

4.2 引線斷裂原因分析

該調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)過數(shù)百臺(tái)機(jī)組長期運(yùn)行驗(yàn)證，結(jié)合故障點(diǎn)對(duì)側(cè)轉(zhuǎn)子引線的檢查情況可知，并非轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)問題導(dǎo)致引線斷裂。

轉(zhuǎn)子引線所用材料的屈服極限為265 MPa（實(shí)測值）、抗拉強(qiáng)度為292 MPa（實(shí)測值），滿足采購規(guī)范要求。調(diào)相機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子引線所受應(yīng)力的平均值為12.1 MPa, 最大局部應(yīng)力為49 MPa。根據(jù)上述材料力學(xué)性能測試結(jié)果可知，引線斷裂處樣品（退火后）抗拉強(qiáng)度的最小值為213 MPa，遠(yuǎn)大于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)子引線承受的應(yīng)力。因此，并非轉(zhuǎn)子引線所用材料質(zhì)量不合格導(dǎo)致引線斷裂。

引線斷裂位置靠近連接螺釘壓緊區(qū)域，該區(qū)域的轉(zhuǎn)子引線位于熱固絕緣段外，與絕緣盒之間在徑向上存在4 mm懸空區(qū)域。裝配過程中，采用絕緣配墊對(duì)該區(qū)域進(jìn)行填充，若懸空區(qū)域未被完全充滿，將導(dǎo)致引線在41 mm 長度范圍內(nèi)懸空，承受離心力帶來的彎曲應(yīng)力（即拉應(yīng)力及壓應(yīng)力），如圖10 所示。對(duì)上述情況進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，結(jié)果顯示，懸空區(qū)域所受最大應(yīng)力為214 MPa，超過材料抗拉強(qiáng)度（213 MPa），說明當(dāng)絕緣配墊不能完全充滿引線與絕緣盒之間的懸空區(qū)域時(shí)，轉(zhuǎn)子引線將發(fā)生斷裂。實(shí)際安裝過程中，由于引線與絕緣盒之間的間隙較小，即使出現(xiàn)上述情況，引線也不會(huì)完全懸空，但轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中長期受力，會(huì)導(dǎo)致間隙變大，所受應(yīng)力也會(huì)逐漸增大，隨著起停機(jī)次數(shù)的增加，引線會(huì)逐漸產(chǎn)生疲勞裂紋，直至斷裂。

圖10 引線懸空Fig.10 Suspensded lead

5 改進(jìn)措施

為避免引線斷裂，建議對(duì)轉(zhuǎn)子引線的絕緣配墊進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。一方面，要通過材料實(shí)測數(shù)據(jù)重新加工絕緣配墊層壓板；另一方面，可以增配連接螺釘鎖緊結(jié)構(gòu)，如環(huán)氧層壓板，避免連接螺釘松動(dòng)。同時(shí)，還要明確工藝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)件在裝配過程中的質(zhì)量控制，確保裝配質(zhì)量。

6 結(jié)語

某廠站300 Mvar 空冷調(diào)相機(jī)組出現(xiàn)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地導(dǎo)致跳閘的故障。本文通過力學(xué)性能測試、金相組織分析、溫度場仿真等手段對(duì)故障原因進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，本次故障的主要原因是轉(zhuǎn)子引線在廠內(nèi)裝配工藝不良，連接螺釘壓緊區(qū)域外的絕緣配墊未能充滿引線與絕緣盒之間的間隙，導(dǎo)致引線懸空，并在離心力的長期作用下發(fā)生斷裂，進(jìn)一步引發(fā)斷口燃弧，造成接地短路。建議對(duì)絕緣配墊的結(jié)構(gòu)及引線裝配過程的質(zhì)量控制手段進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，降低此類故障發(fā)生的概率。