發電機轉子接地故障分析及防范措施

付海金

(廣州珠江電廠，廣東 廣州 511457)

發電機轉子接地故障分析及防范措施

付海金

(廣州珠江電廠，廣東 廣州 511457)

介紹了某燃氣輪機發電廠發電機轉子動態接地故障的處理過程；根據發電機故障后的檢查情況及檢修中發現的異常情況，分析該故障的各種可能原因；并通過對影響轉子對地絕緣因素的分析，明確了引發此次故障的原因，提出了防范措施，以避免同類故障的發生。

燃氣輪機；發電機轉子；動態接地故障；防范措施

1 概述

2013-02-19T09:11，某燃氣輪機發電廠2號發電機，繼2012-11-20處理接地故障重新鑲嵌發電機轉子線圈，運行3個月后，再次出現接地故障。

該發電廠2號發電機總成及二端端蓋由哈爾濱電機有限公司制造，定子由日本東芝公司制造，轉子由韓國斗山公司制造。發電機型號為390H，額定容量468 MVA，額定功率397.8 MW，額定電壓19 kV，出廠編號290T694。2011-09-10和2012-07-13，先后2次出現過轉子接地故障，2次都由哈爾濱電機有限公司技術人員對該轉子不穩定接地故障進行現場處理。2013-02-19，2號發電機轉子再次發生接地故障，并于2013-03-02返回哈爾濱電機有限公司進行故障處理。

2 發電機轉子運行中的絕緣狀況

2013-02-19T09:11，2號機組運行中報“發電機轉子磁場接地”警告和跳閘信號，機組解列，轉速維持在3 000 r/min。經檢查，保護動作時在線測量轉子對地電阻值為83 Ω，接地點位置為0.556(正負極之間為0～1)。在對裝置復位后，裝置在線測量值為7 kΩ左右(測量過程中電阻值曾有波動)，在轉子轉速為3 000 r/min下拔掉轉子碳刷，用500 V兆歐表搖測發電機轉子回路對地絕緣為0。停機過程中，當轉速為2 600 r/min左右時，對地絕緣電阻變為280 kΩ，盤車狀態下對地絕緣電阻值為1.15 MΩ(上述數據均為在線測量值)；再次拔掉發電機轉子回路的碳刷，用500 V兆歐表測量轉子對地絕緣電阻為156 MΩ。在將發電機重新啟動轉速增至3 000 r/min時，轉子接地情況又出現，盤車狀態轉子對地絕緣又恢復正常，顯示出典型的轉子動態接地現象。

3 故障檢查情況及檢修異常情況

3.1 發電機轉子抽出后現場檢查情況

3.1.1 轉子檢查

(1) 轉子外觀整體比較干凈，表面無異物、無油跡、無粉塵積聚。

(2) 目測檢查轉子護環內無異物、無過熱變色，導線及絕緣件等無位移等異常。用內窺鏡對轉子護環內部進行檢查，未發現異物或異常情況。

(3) 檢查引線小釘及集電環下絕緣筒，發現無異常。

(4) 檢查轉子本體表面、大齒表面、槽楔表面均正常。

(5) 逐一檢查轉子各通風孔，發現3處通風孔內表面繞組存在黑色痕跡，且不易擦拭去除。黑色痕跡呈圓形，范圍較通風孔略小，分別在內環極4號線圈靠汽側5個孔、6號線圈靠勵側3個孔、7號線圈靠汽側4個孔附近。

(6) 抽出發電機轉子后，按電氣試驗方案進行轉子繞組的直阻、絕緣和交流阻抗試驗，均無異常。3.1.2 定子檢查

(1) 檢查大端蓋至內護板之間腔體及氫冷器散熱片，干凈整齊、無異物。

(2) 檢查端部繞組表面及固定件，干凈整齊、無異物。

(3) 檢查定子膛內鐵芯及槽楔表面，干凈整齊，通風孔內無異物。

(4) 檢查膛內汽勵兩端端部殼體底部及頂部固定筋等位置，發現有少量細小的油漆漆皮、絕緣纖維及1個呈螺旋狀的機械加工的小鐵屑。

(5) 拆開發電機底部人孔門檢查發電機底部，發現有少量槽楔邊角碎末及油漆漆皮。

(6) 吊出發電機4組氫冷器，檢查確認氫冷器進風面散熱片表面干凈、無雜物、無灰塵，進風側風道底部有少量楔邊角碎末及油漆漆皮。

3.1.3 發電機外部勵磁回路檢查

檢查發電機勵磁系統調節器和一、二次回路，均未發現異常。

3.2 轉子返廠解體檢查情況

轉子返運至哈爾濱電機有限公司后，在靜態情況下對該轉子進行絕緣電阻試驗，其絕緣電阻測量值為3.87 GΩ。

(1) 退出槽楔，將轉子線圈全部吊出，取出槽襯及副槽蓋板，拆出導電桿、引線裝配螺釘(大釘)、集電環導電螺釘(小釘)，檢查確認無松動、過熱異常現象；重點對槽內、槽口位置進行仔細檢查，未發現槽絕緣破裂或金屬顆粒等異物。

(2) 抬出線圈檢查，發現線圈與槽襯有摩擦的痕跡，槽底有黃粉。

(3) 在退槽楔的過程中，少部分槽楔是通過反復敲打才取出的。取出槽楔后發現，在槽口處與槽楔接觸部位出現一些銀白色金屬刮蹭物。該轉子在2012年10月現場檢修、裝復轉子槽楔時，也同樣出現轉子槽楔需要修磨、敲打才能裝配的情況。

3.3 轉子檢修異常情況

從2012-07-13開始，2號發電機就出現過轉子接地故障跳閘、轉子繞組對地絕緣動態為0的情況。10月8日轉入搶修，檢修中對全部轉子線圈進行了全面清理，發現了2個異常現象：

(1) 在熱套汽勵二端護環時，在溫度的作用下浸漬在絕緣瓦內的絕緣膠漆被熔化、流出；

(2) 在對轉子進行交流耐壓試驗，當電壓升至1 800 V時，絕緣被擊穿。經重新拔出勵端護環檢查，發現外環極1號線圈左側(從勵端向汽端看)槽口的第1塊槽楔有放電現象，在2塊楔下2條墊條接縫之間發現有黑色物質和焦煳味，阻尼條有很長的黑色膠體痕跡，經清理后絕緣恢復正常。

4 影響轉子對地絕緣因素的分析

4.1 發電機腔內異物

390H型燃氣輪機發電機轉子通風冷卻采用的是直接氫冷轉子槽底副槽通風道冷卻系統。發電機定子膛內冷卻氣流的主要流向是：轉子風扇加壓→轉子端部線圈與轉軸之間的空隙→轉子槽底副槽通風道→轉子線圈通風孔→定子鐵芯通風孔(定子線圈)→定子鐵芯與外殼之間的空腔→氫冷器進風口→氫冷器出風口→發電機端部空腔→轉子風扇加壓，具體風路如圖1所示。

圖1 燃氣輪發電機內部冷卻風路示意

發電機腔內冷卻風需通過氫冷器進行冷卻，但氫冷器的散熱片相當密集，風在整個氫冷器內的通路曲折，任何異物要通過氫冷器散熱片都是非常困難的。這從氫冷器進風口底部有少量異物，但其出風口十分干凈，就可以說明。根據冷卻風在發電機內部的流向可知，由于氫冷器散熱片的過濾作用，在轉子線圈通風孔以后，即定子鐵芯通風孔(定子線圈)、定子鐵芯與外殼之間的空腔、氫冷器進風口前通道內的異物都無法進入轉子線圈內，所以這些部位內的異物不會引起轉子線圈對地短路。

4.2 發電機轉子槽底黃粉

該電廠2臺機組幾乎每日啟停1次。啟動時，發電機從零轉速上升到額定轉速(3 000 r/min)。由于離心力的作用，線圈將向外產生彈性變形，線圈將與槽兩側的槽襯相互磨擦，造成槽襯磨損而產生黃粉。停機時，發電機從額定轉速3 000 r/min降至零轉速，由于彈力的作用而使線圈恢復到初始狀態的過程中也與槽兩側的槽襯相互磨擦，造成槽襯磨損而產生黃粉。另外，發電機在啟停過程中，由于溫度的變化，轉子線圈在槽內由于熱脹冷縮造成線圈與楔下墊塊相互磨擦，楔下墊塊被磨損而產生黃粉。由于槽襯和楔下墊塊材料是環氧酚醛層壓玻璃布板，其磨出粉末的主要成分是環氧樹脂，并有極少量的銅末及鐵末，總體來講是絕緣材料，一般情況下不會對轉子的對地絕緣產生影響，即不會引起轉子對地短路。

4.3 金屬刮蹭物

轉子槽楔的材質為鋁，在與鐵質毛刺刮蹭過程中，會被刮蹭出鋁質碎渣。這些碎渣會粘附在鐵質金屬上，而不會掉入轉子內部，即使刮蹭出少量鋁質粉屑，由于量微，這些鋁質碎渣尚構不成轉子線圈對地的通路。同時由于槽楔位于轉子槽的最外部，在轉子高速旋轉時這些鋁質碎渣會被甩離轉子而最終進入定子外腔，且由于氫冷器散熱片的過濾作用難以再進入轉子內部。即使是有少量的鋁質碎渣進入轉子，要么使轉子對地產生穩定的接地現象；要么在發電機冷卻風力、振動的作用下，可能會引發不穩定接地現象，但不會產生與轉子轉速相關的不穩定的動態接地現象。

4.4 汽勵兩端部內的雜物

發電機轉子內部只有進入了導體異物才可能引起接地故障。根據對發電機內部冷卻風的分析可知，存留在發電機膛內汽勵兩端部空腔內的任何異物，在受到冷卻風力和發電機運行振動的長期影響(鐵磁物質還受到發電機端部漏磁的影響)下，很可能進入轉子內部而造成轉子接地短路故障。導體異物還可能進入轉子的端部及轉子槽部。

4.4.1 槽口處的異物影響分析

發電機轉子端部槽口對地絕緣狀況如圖2所示。發電機轉子端部拆除槽口塊及極心墊塊后槽口對地絕緣狀況如圖3所示。

圖2 槽口對地絕緣狀況

圖3 拆除槽口塊及極心墊塊后槽口對地絕緣狀況

在槽襯、槽下墊條、槽口塊及極心墊塊完好的情況下，由于槽口塊及極心墊塊的存在，槽口部位線圈對地短路是不可能的。但若槽襯及槽下墊條出現問題(如粘結不牢固等)，在運行中作軸向移動，就會在極心墊塊(或槽口塊)與線圈之間出現縫隙，當槽襯及槽下墊條作軸向運動而退至與轉子鐵芯平齊之后，在導體異物進入這個縫隙而抵達槽口后，即會造成轉子線圈對地短路。

在發電機轉子返廠拔出護環后，并未發現槽襯及槽下墊條有位移現象，因此排除由此造成的發電機轉子對地故障。

4.4.2 護環底部的異物影響分析

發電機轉子端部護環底部的線圈若要對轉軸形成短路，由于其間距離為5 cm左右，因此需要有一個長度大于5 cm的導體存在于護環底部空腔內才有可能；但在轉子抽出后及線圈抬出后的檢查中并未發現轉子內部存在此類導體異物。一般異物進入轉子端部護環底部之后，由于受風力的作用，必將被風吹入轉子槽部，即此種接地為不穩定接地，這與此臺發電機接地故障時的現象不符。

4.4.3 通風口的異物影響分析

發電機在正常運行中轉子槽部通風口存在的異物通常受3種力的作用：第1種是徑向離心力，它隨著轉子轉速的降低而減小；第2種是徑向向外的冷卻風的吹力，它隨著轉子轉速的降低而減小；第3種是對鐵磁導體異物的磁力，它使鐵磁導體異物附著在轉子通風口處，并隨勵磁電流的減小而減小。發電機在正常運行過程中，轉子槽口的非鐵磁導體異物受到第1，2種力的作用，如果不被卡住將不可能永久停留在轉子槽口處，即此時異物造成轉子對地短路是瞬時的。若是鐵磁導體異物會受到上述3種力的共同作用，當磁力的作用較大時，會使鐵磁導體異物附著在轉子通風口處造成轉子接地；但在發電機跳機解列后，由于磁力消失，鐵磁導體異物也將被甩出，轉子對地絕緣將恢復，這與此臺發電機接地故障時的現象不符。如果導體異物在轉子槽口處被卡住，那么在轉子抽出后的檢查過程中將被找到，這與檢查結果不符。

4.5 絕緣膠漆熔化、流出后的影響分析

在拔/套轉子護環時，浸漬在絕緣瓦內的膠漆會受到護環余熱的作用而熔化成液體。如果這些膠漆粘有灰塵或金屬顆粒流到了轉子線圈槽內側2個槽襯之間的縫隙中，并隨著溫度的降低而凝固時，則會在2條槽襯之間的縫隙中形成絕緣的薄弱環節，對轉子線圈的對地絕緣產生影響。其影響的程度取決于粘有灰塵或金屬顆粒的膠漆在接口處聚積的多少：如果聚積得足夠多，在對轉子進行絕緣電阻測試或耐壓測試時即可被發現；如果聚積得不多，則不容易被檢測發現。在運行中，發電機轉子線圈由于受到機組不斷啟停、溫度不斷升降的影響而在槽內不斷伸縮，與槽襯發生磨擦，使槽襯不斷變薄，在接口處線圈對地絕緣距離不斷減小，最終被擊穿。但這種狀況下轉子對地絕緣的情況與發電機轉子的轉速無關，即不會產生與轉速相關的動態接地現象。

當粘有灰塵或金屬顆粒的膠漆流到了轉子線圈楔下2個墊條之間接口縫隙處，并隨著溫度的降低而凝固，在2條楔下墊條之間的縫隙中形成了絕緣的薄弱環節時，同樣會對轉子線圈對地絕緣產生影響。其影響的程度同樣取決于粘有灰塵或金屬顆粒的膠漆在接口處聚積的多少：當聚積得足夠多時，在對轉子進行絕緣電阻測試或耐壓時即可被發現，如2012年10月轉子線圈檢修后在試驗中被擊穿的情況；如果聚積得不多，則不容易被檢測發現。使楔下墊條接口縫隙處對地絕緣距離減小的因素有2個：

(1) 運行溫度的變化，使得線圈與墊條產生磨擦而使墊條變薄；

(2) 一方面，楔下墊條受到高速旋轉下的離心力作用，同時又受到槽楔的限制而被擠壓變薄；另一方面，楔下墊條受到線圈在高速旋轉下離心力的擠壓作用而變薄。當運行中發電機轉子在高速旋轉時，由于墊條受到磨擦、擠壓而變薄到一定程度時，轉子線圈即會對地產生短路；而當發電機停機后，楔下墊條受離心力的擠壓作用消失，在墊條彈力的作用下，墊條接口處縫隙的對地絕緣距離變長，線圈對地絕緣又恢復到一定的水平。此過程與該電廠2號發電機在運行中轉子對地故障現象十分相似。

5 最終原因分析

5.1 發電機轉子接地故障的原因

由于轉子接地呈現出典型的動態接地特點，給故障查找、確定故障點帶來很大困難。但綜合上述對該電廠2號發電機轉子接地后的各項檢查情況及可能導致轉子接地的各種因素的分析結果，認為該燃氣電廠2號發電機在2013-02-19發生的轉子接地故障部位極有可能是轉子2根楔下墊條接縫處。

5.2 防范措施

根據上述分析，為了避免發電機轉子接地故障的再次發生，首先應考慮改善轉子護環絕緣瓦材料，即不能使用熔點低于套裝護環溫度的膠漆浸漬絕緣瓦；同時改善轉子線圈裝配環境、嚴格控制裝配工藝，做到以下幾點：

(1) 裝配環境嚴格封閉，地面清潔，周圍堆放的物件不留有粉塵；

(2) 線圈拆除后，對轉子各部位進行徹底清潔，下線前對周圍環境再次清理；

(3) 在物品搬入封閉區域前，徹底清潔；

(4) 封閉區域應設置預進間，在此預進間內，工作人員換上干凈、不會掉毛的連體服，穿戴專用工作鞋、工作帽及工作手套；

(5) 轉子線圈、絕緣件在裝復前仔細清潔，并且清潔1件裝復1件；

(6) 在對發電機轉子抬線圈的檢修中，增加對轉子槽楔進行修正的工序。由于轉子槽楔質軟，在運行離心力的長期作用下，難免會產生變形，因此，在轉子下線前，增加對轉子槽楔進行修正的工序，而不是在下線完成后，在打槽楔受到阻力時再退出、修整。只有這樣，才能避免轉子鋁質槽楔被刮蹭，防止蹭出的鋁質影響發電機絕緣的現象發生。

在發電機檢修工作中，只有嚴格執行上述工藝措施，加上其他已有的嚴格工藝控制，才能防止浸漬在絕緣瓦中的膠漆熔化以及流動過程中沾帶灰塵或金屬顆粒形成絕緣薄弱環節，防止同類發電機轉子接地故障的發生。

2014-10-19；

2014-12-05。

付海金(1961-)，男，高級工程師，主要從事燃煤、燃氣輪機電廠電氣設備檢修的技術管理工作，email：jxgldqzygcs@gdpgc. com.cn。