發(fā)電廠汽輪發(fā)電機(jī)定子接地故障分析及檢查處理對(duì)策

朱文鑫

摘 ?要：文章通過分析發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)及定子接地故障產(chǎn)生的原因，結(jié)合具體案例簡析了定子接地的查找方法和處理對(duì)策。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)定子;接地故障;分析處理;對(duì)策

中圖分類號(hào)：TM311 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1006-8937（2016）03-0100-02

近幾年來，大部分發(fā)電廠汽輪發(fā)電機(jī)組出力都能達(dá)到額定值，各項(xiàng)性能與參數(shù)也足以滿足正常運(yùn)行方式的要求。但是，由于技術(shù)因素的限制，汽輪發(fā)電機(jī)定子在制造、使用中過程中為單一整體，維修非常困難。因此，本文對(duì)大型汽輪發(fā)電機(jī)定子接地故障原因進(jìn)行了較為全面、系統(tǒng)的闡述，同時(shí)結(jié)合具體實(shí)例剖析了這些故障對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行帶來的危害及相應(yīng)的處理措施。

1 ?發(fā)電機(jī)定子接地故障的危害性

發(fā)電機(jī)定子繞組對(duì)地（鐵芯）絕緣的損壞就可能會(huì)發(fā)生單相接地故障，這是定子繞組最常見的電氣故障。定子繞組單相接地故障對(duì)發(fā)電機(jī)的危害主要表現(xiàn)在定子鐵芯的燒傷和接地故障擴(kuò)大為相間或匝間短路。

鐵芯燒傷由故障點(diǎn)電流If和故障持續(xù)時(shí)間t決定，If2越大，鐵芯損傷越嚴(yán)重。對(duì)于沒有傷及鐵芯的定子繞組絕緣損壞，修復(fù)工作較簡單，停機(jī)時(shí)間也較短;一旦燒及鐵芯，由于大型發(fā)電機(jī)組定子鐵芯結(jié)構(gòu)復(fù)雜，修復(fù)困難，停機(jī)時(shí)間就較長，如果說定子繞組絕緣損壞和單相接地故障是難免的，但由此而殃及定子鐵芯則是完全應(yīng)該避免的，為此應(yīng)設(shè)法減小定子繞組單相接地電流If ，同時(shí)縮短故障的持續(xù)時(shí)間。

定子繞組絕緣一點(diǎn)損壞（單相接地）時(shí)故障電流僅數(shù)安或數(shù)十安，故障處電弧時(shí)斷時(shí)續(xù)，將產(chǎn)生間歇性弧光過電壓，由此而引發(fā)多點(diǎn)絕緣損壞，輕微的單相接地故障擴(kuò)展為災(zāi)難性的相間或匝間短路，這也是必須避免發(fā)生的。

2 ?發(fā)電機(jī)定子繞組接地原因分析

發(fā)電機(jī)絕緣有較高的耐電壓強(qiáng)度，并能承受一定過電壓的性能，在工作電壓和工作溫度下，絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ小且穩(wěn)定，具有一定的去游離電壓、絕緣壽命應(yīng)保證在25～30 a。造成發(fā)電機(jī)定子接地的原因主要有發(fā)電機(jī)內(nèi)部因素的原因及外部因素的原因。以下統(tǒng)計(jì)了常見的幾點(diǎn)發(fā)電機(jī)定子繞組可能造成接地故障的原因。

2.1 ?定子繞組發(fā)生接地故障的內(nèi)部原因

①定子繞組的絕緣材料、銅導(dǎo)體和定子鐵芯由于膨脹系數(shù)不同，在繞組加熱和冷卻過程中，不可避免地產(chǎn)生較大的機(jī)械應(yīng)力。長時(shí)間作用使得絕緣失去彈性而產(chǎn)生裂紋，甚至在運(yùn)行電壓下絕緣擊穿。另外，發(fā)電機(jī)絕緣在工作溫度下、浸漬漆和粘合劑不應(yīng)融化流出，否則將導(dǎo)致絕緣迅速老化。②發(fā)電機(jī)絕緣在制造過程中和運(yùn)行時(shí)受到各種機(jī)械力的作用，尤其在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)受到的機(jī)械應(yīng)力更大，受到的機(jī)械應(yīng)力及危害分析如下：其一，端部線圈在運(yùn)行時(shí)和突然短路時(shí)，產(chǎn)生電動(dòng)力使端部線圈固定松動(dòng)，長時(shí)間作用磨壞絕緣。其二， 幅向交變電動(dòng)力，是定子繞組的橫向磁通使導(dǎo)體受到的力。另外，在額定電流下，汽輪發(fā)電機(jī)單根線棒上也會(huì)受到幾百公斤力的作用，并以每秒100次的頻率打擊著絕緣，在短路時(shí)，該力達(dá)到數(shù)百噸。上述交變電動(dòng)力作用結(jié)果，將使絕緣斷裂或磨損，在運(yùn)行中可能使絕緣擊穿。③發(fā)電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生電暈放電時(shí)，又有臭氧和各種氧化氮產(chǎn)生，前者是強(qiáng)烈的氧化劑，侵蝕有機(jī)絕緣材料;后者和水形成硝酸或亞硝酸，腐蝕金屬材料，使纖維材料變脆。所以，發(fā)電機(jī)絕緣應(yīng)防止產(chǎn)生電暈放電并采用防電暈材料。④發(fā)電機(jī)內(nèi)定子繞組絕緣被異物磨損或老化等造成絕緣水平下降時(shí)，可能造成定子接地故障。

2.2 ?定子繞組發(fā)生接地故障的外部原因：

運(yùn)行中的發(fā)電機(jī)定子接地時(shí)，發(fā)變組保護(hù)裝置會(huì)發(fā)出“定子接地”報(bào)警信號(hào)，發(fā)電機(jī)出線采用封閉母線后，由外界因素引起接地的幾率大大減少了，但是其他一些因素也會(huì)造成發(fā)電機(jī)定子接地，例如：①發(fā)電機(jī)漏水及冷卻水導(dǎo)電率嚴(yán)重超標(biāo)時(shí)會(huì)引起接地報(bào)警。②與發(fā)電機(jī)定子繞組相連的一次部分設(shè)備上發(fā)生單相接地時(shí)引起接地故障。如發(fā)電機(jī)出線主封母支持絕緣子受潮絕緣下降、主變低壓側(cè)升高座內(nèi)因橡膠密封升縮套破裂滲水導(dǎo)致升高座內(nèi)積水瓷瓶絕緣下降。③發(fā)電機(jī)電壓互感器開口三角形繞組的高壓側(cè)熔斷器熔斷，開口三角電壓線松動(dòng)、接觸不良，電壓互感器開口三角側(cè)一次插頭或二次插頭接觸不良等，也會(huì)造成發(fā)電機(jī)定子接地報(bào)警，這種不是由于真正接地而引起保護(hù)報(bào)警的現(xiàn)象通常稱為“假接地”。④發(fā)電機(jī)風(fēng)道及繞組上的污垢和塵土造成散熱條件臟污，引起風(fēng)道堵塞、繞組過熱，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)溫升過高、過快，使繞組絕緣迅速惡化。⑤發(fā)電機(jī)冷卻器進(jìn)水管堵塞，造成冷卻水供應(yīng)不足，繞組過熱、絕緣受損。⑥發(fā)電機(jī)長期過負(fù)荷運(yùn)行。⑦在發(fā)電機(jī)烘干驅(qū)潮時(shí)，溫度過高。

3 ?故障現(xiàn)場排查、分析判斷及事故處理

當(dāng)發(fā)電機(jī)定子繞組及其一次回路發(fā)生一相接地時(shí)，接地點(diǎn)將流過對(duì)地電容電流。該電容電流可能產(chǎn)生電弧，如果電弧是持續(xù)性的，同時(shí)又發(fā)生在發(fā)電機(jī)內(nèi)部，就可能損壞發(fā)電機(jī)定子鐵芯，鐵芯的損壞程度與此時(shí)對(duì)地電容電流的大小有關(guān)。發(fā)電機(jī)運(yùn)行中保護(hù)裝置發(fā)出“定子接地”報(bào)警信號(hào)后，運(yùn)行人員應(yīng)立即測量發(fā)電機(jī)相關(guān)二次電壓并通知檢修人員立即到發(fā)變組保護(hù)屏、PT二次端子箱等地分別測量發(fā)電機(jī)二次電壓，進(jìn)行分析，以判斷發(fā)電機(jī)定子是否真正發(fā)生接地故障。

當(dāng)定子繞組回路發(fā)生一相金屬性接地時(shí)，接地相對(duì)地電壓為零，非接地相電壓升高至線電壓，各線電壓不變且平衡。如果接地點(diǎn)在定子繞組中的某一部分或者是發(fā)電機(jī)出口一相非金屬性接地以及主變低壓繞組內(nèi)部接地時(shí)，接地相對(duì)地電壓不會(huì)降至零，不接地相對(duì)地電壓雖然升高，但也低于線電壓，出口PT開口三角側(cè)電壓也小于100 V，接地電阻越大或越靠近中性點(diǎn)，其值越小。

當(dāng)出口PT高壓保險(xiǎn)熔斷一相或兩相時(shí)，其開口三角繞組的電壓也要上升，可能發(fā)出接地報(bào)警信號(hào)。例如：A相高壓保險(xiǎn)熔斷，定子電壓的UCA、UAB降低，UBC不變，仍為線電壓，UB0、UC0仍接近相電壓，UA0則明顯降低，開口三角側(cè)電壓電壓接近100/3 V，此種情況即為假接地。

判斷真假接地的關(guān)鍵在于：真接地時(shí)，接地相對(duì)地電壓降低，而非接地相對(duì)地電壓升高，且線電壓彼此平衡。假接地時(shí)，不會(huì)有相對(duì)地電壓升高的現(xiàn)象，線電壓也不平衡。

定子接地故障的現(xiàn)場檢查項(xiàng)目及步驟參考如下：①檢查發(fā)變組保護(hù)裝置是否正確動(dòng)作、保護(hù)定值是否合理，加入模擬量校驗(yàn)裝置是否正常，是否出現(xiàn)誤報(bào)、誤動(dòng)作。②測發(fā)電機(jī)絕緣（帶封母及主變、廠高變等其他一次設(shè)備）。③檢查保護(hù)裝置及PT二次端子箱的二次電壓線是否有松動(dòng)，接線端子是否足夠緊固。④保護(hù)裝置到PT端子箱及及到PT柜本體的二次線絕緣是否良好。⑤電流、電壓二次回路各接地點(diǎn)是否可靠、正確。⑥在PT就地端子箱或中性點(diǎn)變壓器的二次電壓端子施加模擬量，帶外部線模擬檢查保護(hù)裝置是否正確可靠動(dòng)作。⑦檢查電壓互感器一次繞組尾端接地是否可靠。⑧檢查PT柜內(nèi)一次插頭、二次插頭及二次插頭內(nèi)的電壓線是否接觸牢固、可靠。⑨檢查發(fā)電機(jī)出線套管處的軟連接是否正常，有無水、油污及其他異物。⑩檢查發(fā)電機(jī)主封母內(nèi)各處是否干燥、是否絕緣良好，應(yīng)無積水、無異物。11 檢查主變低壓側(cè)套餐及廠高變的高壓側(cè)升高座內(nèi)是否干燥無積水、無異物、絕緣良好。12 斷開發(fā)電機(jī)出口軟連接，分別測發(fā)電機(jī)本體及本體以外一次設(shè)備絕緣。13 發(fā)電機(jī)出線PT進(jìn)行高壓試驗(yàn)。14 對(duì)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)干式變、電纜進(jìn)行高壓試驗(yàn)。15 發(fā)電機(jī)出口避雷器高壓試驗(yàn)。16 對(duì)主封母連帶主變低壓側(cè)及廠高變高壓側(cè)進(jìn)行高壓試驗(yàn)，如數(shù)據(jù)不正常再將封母、主變低壓側(cè)、廠高變高壓側(cè)分別斷開連接進(jìn)行檢查。17 發(fā)電機(jī)打開兩側(cè)端蓋、抽轉(zhuǎn)子，結(jié)合跳機(jī)前的各運(yùn)行參數(shù)檢查定子繞組。18 發(fā)電機(jī)定子加高壓試驗(yàn)進(jìn)行排查。

4 ?案例分析

4.1 ?故障情況

2013年7月25日，某電廠#2機(jī)（東方電機(jī)廠，型號(hào)：QFSN-21

0-2，額定有功功率210 MW）發(fā)變組保護(hù)動(dòng)作，機(jī)組跳機(jī)。繼保人員在發(fā)變組保護(hù)A、B屏發(fā)現(xiàn)定子基波零序電壓高值有動(dòng)作出口跳閘記錄（即發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作出口跳閘）。分別檢查發(fā)變組保護(hù)裝置、外部接線，現(xiàn)場相關(guān)的CT、PT端子接線箱等均無發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象，查看了機(jī)組故障錄波器、網(wǎng)控室故障錄波器、保護(hù)裝置的動(dòng)作報(bào)告及動(dòng)作波形，并打印了相關(guān)的動(dòng)作報(bào)告進(jìn)行分析。同時(shí)，運(yùn)行人員檢查氫氣濕度、內(nèi)冷水的水質(zhì)及測發(fā)電機(jī)絕緣均合格。

4.2 ?故障的查找及處理

機(jī)組跳機(jī)后，電廠相關(guān)技術(shù)人員根據(jù)保護(hù)動(dòng)作的類型、波形及動(dòng)作值進(jìn)行初步分析后，判斷可能為發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障，決定進(jìn)一步進(jìn)行檢查。

檢修人員隨后檢查了主變及廠高變的升高座內(nèi)的積水及絕緣受潮的情況，并將發(fā)電機(jī)封閉母線多個(gè)支撐絕緣子及人孔處拆開檢查封母內(nèi)部，均無發(fā)現(xiàn)異常。檢修人員還檢查了機(jī)端電壓互感器及中性點(diǎn)變壓器到就地二次電壓端子箱的所有接線，對(duì)發(fā)變組保護(hù)裝置的定值和接線、二次電纜的絕緣、電流（電壓）二次回路接地點(diǎn)及接線端子進(jìn)行檢查，并對(duì)電壓互感器一次繞組尾端接地可靠性進(jìn)行檢查，均無異常;繼保人員在發(fā)電機(jī)就地電壓端子箱的中性點(diǎn)變壓器二次回路加入電壓量，模擬故障情況，發(fā)變組A、B屏保護(hù)裝置的定子零序電壓高值保護(hù)能正確動(dòng)作、保護(hù)裝置的動(dòng)作信號(hào)指示也都正常。

后檢修人員直接對(duì)發(fā)電機(jī)本體、機(jī)端PT、避雷器、中性點(diǎn)電纜、中性點(diǎn)變壓器、封母、主變、廠高變、勵(lì)磁變等一次設(shè)備做絕緣電阻、直流電阻、空載試驗(yàn)、倍頻耐壓試驗(yàn)，交、直流耐壓等相關(guān)高壓試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)均正常。進(jìn)一步分析后，重點(diǎn)檢查發(fā)電機(jī)PT的相關(guān)一次、二次回路，最后，打開PT本體二次插頭，發(fā)現(xiàn)PT開口三角形二次插頭內(nèi)有一根二次線存在松動(dòng)現(xiàn)象，重新焊接處理后，機(jī)組重新點(diǎn)火開機(jī)，在發(fā)電機(jī)升壓過程及并網(wǎng)后通過發(fā)變組保護(hù)對(duì)機(jī)端電壓及自產(chǎn)零序電壓、外接零序電壓、中性點(diǎn)零序電壓等各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查均正常，機(jī)組順利并網(wǎng)。

5 ?結(jié) ?語

如上述分析，汽輪發(fā)電機(jī)定子的結(jié)構(gòu)、接地故障的幾個(gè)主要形成原因及故障的現(xiàn)場判斷、查找以及相應(yīng)的處理對(duì)策都有了一個(gè)較為清晰的思路。但是，遇到實(shí)際定子接地故障時(shí)，還需要結(jié)合具體情況做具體的分析和處理。

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