大型發電機的故障分析及處理措施

黃裕忠

（華電江蘇能源有限公司句容發電廠，江蘇鎮江212412）

大型發電機的故障分析及處理措施

黃裕忠

（華電江蘇能源有限公司句容發電廠，江蘇鎮江212412）

發電機是發電廠的三大主機之一，其安全穩定性在電力企業安全生產中至關重要。大型發電機組采用雙重化微機保護裝置，為機組的安全穩定運行提供保障。本文從某臺1000MW燃煤機組的發電機設備發生故障，造成機組全停的事故入手，對繼電保護動作的記錄及試驗結果進行分析，找出故障發生的原因，提出事故處理方案及防范措施，以避免和減少同類故障的發生。

發電機；故障；原因分析；處理

0　引言

隨著大容量燃煤機組的發展，發電機繼電保護功能的配置越來越齊全，對于300MW以上的火力發電機組，根據大型機組設計和安全運行的需要，微機保護裝置一般均為雙重化配置；根據故障情況統計，微機保護裝置由于自檢功能的提高，拒動、誤動的情況已很少發生。同時對保護裝置的動作情況記錄完整，并在單臺發電機配置獨立的故障錄波裝置，實時記錄機組的運行參數、保護及斷路器等的動作情況，并通過DCS或現場監控等技術手段將現場發生的情況及保護裝置動作的數據收集齊全，為故障過程復原提供科學的依據。本文根據某臺1000MW燃煤發電機組的發電機設備并網調試過程中發生的一次故障，通過故障后保護動作情況、故障錄波器記錄波形，故障設備發熱、損壞的現象及一系列試驗等手段進行分析，找出事故發生的原因。針對設備在設計、生產制造、安裝過程中可能存在的問題，提出處理和防范措施，并落實到位，為避免發生設備故障提供技術保障。

1　故障情況

2013年，某電廠一臺1000MW機組在試運行期間滿負荷運行時，突然一聲巨響，弧光從發電機機端下部發出，煙氣翻騰，連接在電網500kV上3/2接線兩臺斷路器［1］跳閘，滅磁開關跳閘，機組全停。

為避免次生災害的發生，故障后采取了以下措施，確保機組安全、可靠停運：

（1）保安系統正常啟用（油系統、盤車正確投入）；

（2）切斷故障區電源，防止發生火災，防止觸電傷害；

（3）機組及時排氫，對故障現場，進行漏氫測量，確保人身及設備的安全，防止次生災害發生；

現場情況：

發電機二次系統：機組的發變組雙套保護A、B、C、D柜相繼動作，跳開500kV 5021、5022開關、6kV2A1、2A2、2B1、2B2四段進線開關及發電機滅磁開關，造成機組全停，6kV備用電源自投正常。A柜的發電機低壓記憶過流保護動作、突加電壓啟動（機組并網后該保護為退出狀態）、定子接地3W保護發信；B柜的發電機低壓記憶過流保護動作、突加電壓啟動（機組并網后該保護為退出狀態）；C柜的主變差動速斷動作、主變差動動作；D柜的主變差動速斷動作、主變差動動作；發變組故障錄波器定子電壓Ua突變量最先啟動，故障波形如圖1、圖2所示。

發電機設備：出口機端三相TV柜的連接倉均發生了燃弧故障，并有不同程度的位移，出口機端B相TV與離相封閉母線連接軟套管處有明火；中性點聯箱鼓脹變形且陽角處有裂口，聯箱與中性點接地變柜間連接的中性點封母發生鼓脹變形，多處裂口，橡皮伸縮套管斷裂。

2　故障情況分析

2.1電氣量原因分析

機組發變組保護裝置（配置為某公司生產的DGT801系列），發電機保護（A、B柜為雙重化保護）及發電機變壓器保護（C、D柜為雙重化保護）動作報告：故障時發電機保護A柜依次啟動了突加電壓保護、定子接地3W保護、發電機低壓記憶過流保護；發電機保護B柜依次啟動了突加電壓保護、發電機低壓記憶過流保護；變壓器保護C柜依次啟動了主變差動速斷保護、主變差動保護；變壓器保護D柜依次啟動了主變差動速斷保護、主變差動保護。同時故障錄波器因發電機A相電壓突變啟動，故障時刻的錄波圖顯示：故障發生時發電機定子電壓A相首先開始跌落，A相電流迅速增大，約16ms后，B相電壓也開始跌落，又過20ms后，C相電壓也開始跌落，最后TV互感器三相電壓均為零值；根據故障前和故障瞬間記錄對比分析（A相故障時短路峰值電流是故障前（21600A一次值，二次值為3.6A）的約7倍（151200A一次值），遠遠大于單相接地的電容電流，然后發展到AB相接地短路時，A/B相短路電流達到了最大約為10倍（210000A一次值），最后發展到ABC三相短路時，三相短路電流達到了最大約為6倍（129600A一次值），主變差動保護出口時間大約為48ms，500kV斷路器斷弧時間為106ms；故障發生后發電機定子電流在勵磁開關跳開后逐漸衰減。根據上述記錄分析得出如下結論：發變組保護的動作行為正確，故障的初期原因為發電機出口A相與中心點單相短路故障，因故障點在發電機出口CT外側，故發電機主保護不動作，變壓器差動保護動作，發全停命令，跳500kV兩側開關及滅磁開關，期間故障由發電機出口A相單相短路故障轉為AB相接地短路，然后由AB相接地短路轉為ABC三相短路故障。故障期間大電流出現，根據電流互感器配置方式，此電流在發電機中心點及出口電流互感器均會出現，大小相等，方向相同，故障源是在發電機差動保護范圍外側，故發電機差動不會動作，而在主變差動范圍內，變壓器差動及速斷保護均會動作，現場情況與保護動作記錄相符。

圖1　故障錄波器錄波圖

圖2　故障前三相電流、A相出口與中心點單相短路電流、AB相接地短路電流ABC三相短路電流

2.2氫氣系統檢查情況分析

由于發電機為水氫氫機組，為避免漏氫災害的發生，分別對故障前、故障后的氫系統進行全面檢查，情況如下：

2.2.1故障前情況（1）機組整套啟動前，發電機風壓為1.9m3/d合格；（2）機組進入168h滿負荷試運前，氫氣嚴密性試驗為漏氫量為9.7Nm3/d，符合規范要求；

（3）檢查試運過程中，現場漏氫在線監測裝置無氫氣泄漏報警。

2.2.2故障后檢查情況

（1）運行人員及調試人員為防止次生災害發生，檢查密封油系統工作正常，對故障現場進行連續測氫均未發現氫氣泄漏報警；

（2）發電機再次進行風壓試驗，試驗結果合格；

（3）風壓的同時機內加注氦氣，利用肥皂水及氦氣質譜儀對發電機出線套管、出線大罩、中性點連接箱進行連續監測，均未發現漏氫跡象；

（4）檢查大罩及中性點連接箱內無大面積超溫現象。

通過上述情況分析，可以確定本次故障非氫爆引。

2.3故障短路計算分析

根據發電機出廠參數0.284uf、離相封閉母線0.017uf、主變實測值0.57uf、高廠變實測值0.04uf，合計每相對地電容大約為C=0.907uf。當發生單相接地時電容電流［2］：

計算得Ic=13.32A

式中Ic—電容電流，A；

Ue—發電機額定電壓，27kV。

分析機組發變組保護動作報文以及故障錄波器錄波圖，由于發電機出口TA電流在電壓TA下降時突然變大，故障電流達到150kA以上，可以判斷為非A相接地故障，是A相短路故障。

根據《導體和電器選擇設計技術規定》［2］DL/T5222-2005，對發電機出口TV柜設備和發電機中性點接地變柜設備損故情況進行電氣設備動、熱穩定性分析，情況如下：

1000MW發電機組，中心點經專用變壓器高阻接地，中心點變壓器變比為N=（27/√3）/0.23=67.8，二次電阻實際值為R=0.19Ω，計算一次等效電阻：

式中R—一次等效電阻，Ω；

N—中心點變壓器變比；r—二次電阻實際值，Ω。如發生A相單相接地時故障電流應很小，此時流過中心點經專用變壓器故障一次電流：

式中Id—發電機出口單相接地電容電流；A。

此故障電流，不會引起很大的電動力。

單相短路依據發電機正序電抗（不飽和值）X"d% =22.5，負序電抗（不飽和值）X2U%=23.6，零序電抗（不飽和值）X0U%=11.7，Z∑1=X"d%+X2U%+X0U%=0.588（單相短路阻抗）；故障引起時出口電壓最高，由于電流互感器二次不能突變，A相短路電流有逐漸變大的過程。

計算得I1"=5.1In，

式中I1"—單相短路故障瞬時電流，A；

In—發電機額定電流，A；

Z∑1—單相短路阻抗標幺值。

式中i—交流峰值電流，A。

與錄波電流基本一致；

單相發展轉為兩相短路時，短路時間基本為0.012ms，根據發電機廠兩相短路次暫態電流有效值為I2"=4.4In，此時電流波形峰值為短路電流（全電流）

式中Ich—短路電流（全電流）；

I2"—兩相短路次暫態電流有效值，A。

與錄波電流基本符合；

兩相發展轉為三相短路，查對上海發電機廠出廠的三相短路電流曲線次暫態電流有效值為I3"=4.64In，此時交流峰值電流

式中i—三相短路電流次暫態電流，A；

I3"—三相短路次暫態電流有效值，A。

與錄波電流基本符合。

2.3.1動穩定性及熱穩定性分析

2.3.1.1動穩定性分析

根據單相短路電流的峰值

式中Ichd—單相短路電流的峰值，kA。

發展過程中相間最大短路時電流的峰值

式中Ichs—相間短路電流，kA。

對于專用電壓互感器的專業銅排，該銅排的短路容量僅考慮電壓互感器故障，斷路電流較小，其專用銅排的選用選用為40×5=200mm2，對于矩型銅排最大允許應力小于13.72（kN/cm2）。

式中Fyx—最大允許應力，kN。

按照《電力工程設計手冊》［3］：式

中F—短路電動力，N；

L—導線固定絕緣子之間的跨距，cm；

a—導線相間的距離；

Ich—短路沖擊電流，kA；

β—振動系數。

對于電壓互感器故障電流的瞬時峰值電流以單相短路電流最大計算；

a=500mm（相對地距離，原因為離相母線）

L=2000mm（中心點接地排的距離），β=1；

經計算F（MAX）=39.64kN，超過矩型銅排最大允許應力，在故障時容易被拉斷。實際情況銅排有拉斷現象。

結論：在短路故障時很難滿足短路電動力的要求。

2.3.1.2熱穩定性分析

根據《電力工程設計手冊》［1］：

式中Q—短路電流周期分量熱效應kA2.s；

Iz0—短路故障時初始有效值，A；

Izt—短路故障t時周期分量有效值，A；

t—短路持續時間。

從短路故障開始至故障切除t=85ms，根據錄波記錄，經計算Q=43.9×109J；根據《導體和電器選擇設計技術規定》［2］DL/T5222-2005標準及銅的熱容是0.39× 103J/（kg·℃），短路的瞬間在故障處由于弧光在故障點將產生高溫，銅的熔點為1083℃，故障瞬間導致銅排被融化；此外導線連接處電阻較大，發熱現象嚴重，易發生故障。

2.4結論和判斷

通過上述分析，確定了故障發生起始點。仔細檢查發電機出口電壓互感器TA柜結構及發電機中心點接線方式，定子接地3W專用保護專用電纜，發現出口TV的匝間保護專用TV柜的A相連接倉內有一只烤焦的田鼠尸體，體長大約200cm；柜內銅排有融化及斷裂現象，中心點變壓器柜內銅辮軟連接拉斷，中心點電纜至TV柜電纜接頭拉斷，檢查封堵情況時發現柜底支撐絕緣子槽板下，有一被遮蓋的100mm的圓孔沒有進行封堵，田鼠可從鋼格柵通過孔洞進入，并且發電機出口匝間保護專用TV，有一根專用電纜由發電機中心點引至TV柜，其連接銅排布置裸露，當安全距離不能滿足要求時，將發生單相短路故障。

由于TA進線銅排布置與中心點定子接地保護專用電纜連接銅排其間距較近，銅排裸露，當小動物進入后在發電機出口TV的匝間保護專用TV柜內，A相連接倉內發電機TV引線與發電機中心點裸露銅排之間，在單相電壓27/√3kV高電壓作用下，不能滿足安全距離要求，引起單相短路故障，此時的故障電流不再是單相接地的電容電流，而是相當于單相全相短路的大電流故障，這樣的大電流導致連接銅排、電纜和連接銅辮子動穩定和熱穩定均不能滿足安全要求，于是故障瞬間發展成相間、三相短路故障。并且由于故障瞬時釋放能量，在封閉的柜內使發電機出口TV柜A相連接倉在短路瞬間產生了巨大的電動力使得發電機出口TV柜發生扭曲變形，從而使A相出口與中心點單相故障轉化為AB相接地短路故障，并引發較強的弧光，至使故障最終發展為三相短路。

同時由于A相出口與中心點單相故障點的故障電流及電動力作用，使得匝間保護專用TV連接中性點接地變柜的高壓電纜熔斷，進而導致對中性點聯箱外殼放電，產生的高溫電弧引起中性點聯箱內氣體急劇膨脹，造成中性點聯箱、中性點接地變柜的損毀，擴大了事故。

3　事故處理及防范措施

鑒于大型機組在出口處經受了較大的短路電流，根據《大型汽輪發動機非正常和特殊運行及維護導則》［4］，為防止機組內部因故障可能對設備狀態造成不良影響，決定對發電機本體、發電機出口TV、發電機中性點CT以及中性點接地變壓器、主變、高廠變、發電機離相母線、進行相關檢查。

3.1具體檢查試驗項目如下：

（1）設備本體內外部檢查（包括發電機本體、中心點變壓器、出線電壓互感器、封閉母線、變壓器）等設備。

（2）電氣試驗項目

1）發電機電氣試驗項目：（氣密試驗、絕緣試驗、電阻測量、耐壓試驗及引線的固有頻率測試及端部模態）等試驗。

2）主變和高廠變電氣試驗項目：（氣體分析、繞組頻率、短路阻抗試驗、直流電阻、絕緣電阻、鐵芯（夾件）絕緣）等試驗。

3）中性點電流互感器電氣試驗項目：（變比、繞組電阻測量、勵磁特性曲線測量）等試驗。

4）機端電壓互感器試驗項目：（一、二次絕緣電阻測量、繞組絕緣介質損耗因數測量、一、二次次繞組直流電阻測量、變比誤差測量、勵磁特性曲線測量、一次繞組直流電阻測量、一次繞組及二次繞組工頻耐壓）。

5）封閉母線和中性點聯箱交流耐壓試驗。

6）勵磁變試驗項目：（低電壓短路阻抗試驗、三相直流電阻測試、絕緣電阻、直流電阻試驗、鐵心絕緣電阻測量）。

通過全面檢查試驗上述設備均正常，與出廠報告一致；可以進一步說明故障不是設備質量造成的。

3.2采取的措施

針對事故原因分析及試驗情況，為確保設備長期安全穩定運行，相關部門從安全技術措施和安全組織措施上進行全面落實。

3.2.1技術措施

針對薄弱環節進行全面檢查，包括上述檢查試驗項目；并制定以下防范措施：

1）發電機引出線罩殼增加氫氣排放點；

2）檢查廠房內氫氣管道嚴密性，同時檢查排污管道有無廠房內的不適當開口；

3）增加發電機出線罩殼及中性點連接箱等部位人工氫氣檢測的手段；

4）由于停機時發電機TV拉至檢修位置，柜門打開，容易導致小動物入內，開機前應認真檢查確認無小動物在柜內；

5）對TV柜基礎格柵進行密封，并做好TV柜及連接倉、中性點接地變柜等的封閉工作，防止小動物的侵入；

6）對TV柜裸露接線銅排進行絕緣防護處理，提高設備的絕緣防護效果；

7）加大發電機中心點至專用TV柜的電纜截面，增大短路動熱穩定能力。

3.2.2組織措施

（1）項目部、設備廠（發電機、封閉母線、變壓器廠）、調試單位、設計院、施工單位、監理單位、監督單位技術人員組織討論制定方案。

（2）增強質量監督小組的力量，對質量進行全面檢查。

4　結語

事故造成巨大的損失，需要從中吸取教訓，避免類似情況的發生。必須在設計、施工、安裝、調試過程中嚴格執行施工要求、質量大綱及強制性條文的規定，從細節入手，例如防小動物的措施，對裸露的銅排進行絕緣處理；質量上嚴格管控，杜絕隱蔽工作、驗收不到位，確保全過程質量合格，保證人身及設備的安全。

［1］DL/T5153-2002，火力發電廠廠用電設計技術規定［S］.北京：中國電力出版社，2002.08

［2］DL/T5222-2005，導線和電器選擇設計技術規定［S］.北京：中國電力出版社，2005.07

［3］電力工程電氣設計手冊［M］.北京：中國電力出版社，1989.

［4］DL/T970-2005，大型汽輪發動機非正常和特殊運行及維護導則［S］.北京：中國電力出版社，2006

Fault Analysis and Treatment Measures of Large Generator

HUANG Yu-zhong
（Huadian Energy Power Plant Co.，Ltd.Jiangsu Jurong，Zhenjiang 212412，China）

Generator is one of the three core equipment of power plant.It is a primary electrical that can convert mechanical energy into electrical energy.Large generator equip with Dual-computer protection device.Its safe operation is very important to guarantee the safe and stable operation of power grid.This article firstly discusses an 1000MW generator accident which causing the unit to a full stop，then analyzes the reasons that contributes to the problems focus on the records of the Relay protection action and the experiments'results.Therefore，this article puts forward the method to deal with the fault is put forward，in order to avoid and reduce the occurrence of the same kind of failure.

generator power system；electrical failures；reason analysis；practical methods

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.04.008

TM311

B

2095-3429（2015）04-0028-05

2015-07-17

修回日期：2015-08-25

黃裕忠（1968-），男，常州溧陽人，高級工程師（高級技師），發電廠主任工程師。