發電機勵磁回路一點接地故障分析

戴申華

（中國大唐集團科學技術研究院有限公司華東分公司，合肥 230601）

發電機勵磁回路一點接地故障分析

戴申華

（中國大唐集團科學技術研究院有限公司華東分公司，合肥 230601）

本文研究了發電機勵磁回路不同部位一點接地時轉子正負對地電位的大小及波形，并給出了通過轉子正負對地電位的大小及波形確定接地點的方法。同時，采用研究得出的方法分析了一起發電機轉子接地故障，該發電機發生故障時的轉子正負對地電位與文中分析的完全一致。文章給出的分析方法對于發電機勵磁回路一點接地的查找及故障定位具有重要的參考價值。

發電機；勵磁回路；轉子一點接地

發電機勵磁回路是指勵磁系統的功率回路，對于自并勵勵磁系統，勵磁回路包括發電機轉子回路和勵磁變壓器低壓側出線，而對于交流勵磁機勵磁系統，勵磁回路包括發電機轉子回路和勵磁機電樞繞組出線。正常運行時勵磁回路對地絕緣電阻應大于500kΩ。勵磁回路一點接地是指發電機轉子回路、勵磁變壓器低壓側出線或勵磁機電樞繞組出線等部位與地存在金屬性或較低阻抗的短路點。一般情況下，勵磁回路一點接地允許機組短期運行，但發生一點接地之后，如果發展成為兩點接地，將會對機組轉子及大軸造成很大損害[1]。

準確檢測勵磁回路一點接地是一個較為復雜的課題，檢測原理有很多種，如迭加直流式、迭加交流式、乒乓式、惠靈頓電橋原理及轉子對地電壓直測式等[2]。目前，國內用的比較多的有迭加交流式、乒乓式以及惠靈頓電橋原理，從運行情況看，都曾出現過誤動的問題[3-4]，并且發電機勵磁回路有一部分是旋轉部件，當發生非永久性接地時，故障排查十分困難。

針對發電機轉子一點接地保護，目前有較多的研究，大部分關注的是繼電保護動作可靠性和靈敏性[5]，而對于轉子一點接地之后電氣特性研究的較少。特別地，發電機轉子回路是勵磁回路的一部分，其電氣上直接連接，發電機轉子一點接地保護動作以后，其故障點不一定是在發電機轉子回路，需要深入地研究及排查。

本文主要從勵磁回路一點接地之后轉子對地電壓的變化來分析接地的可能位置，并結合實際案例來闡述故障分析過程。

1 勵磁回路一點接地機理分析

在正常運行情況下，發電機轉子回路與地絕緣，如果用萬用表測量，則顯示的是漂移電位。“轉子一點接地”報警信號發出之后，現場確認最常用的方法是采用萬用表測量轉子正、負對地電壓。本章將分別分析轉子內部接地和整流橋交流側接地時的整流橋正、負對地電壓，研究其規律。

1.1 轉子內部接地

圖1是轉子內部接地時等效電路圖。

圖1 轉子內部接地時等效電路圖

圖1中，R1、R2分別為接地點至轉子正、負極之間的電阻值，R為轉子接地電阻值，設轉子電壓為U，正對地電壓為U+，負對地電壓為U-。由于轉子是一點接地，勵磁回路與地之間未形成回路，R上無電位差，則U+為轉子電流在R1上形成的電壓，U-為轉子電流在 R2上形成的電壓，U+和 U-滿足以下關系式

式中，U+和U-均為直流電壓表測量的電壓平均值。

1.2 整流橋交流側接地

當整流橋交流側接地時，隨著二極管的換相，當接地點附近陽極二極管導通時，轉子的正極電壓被強制拉到0，此時負極對地電壓為負的轉子電壓；當接地點附近陰極二極管導通時，轉子的負極電壓被強制拉到0，此時正極對地電壓為正的轉子電壓；當接地點附近的兩個二極管均不導通時，正極或負極的對地電壓均為導通相對非導通相的線電壓。利用Matlab/Simulink搭建三相全控二極管整流仿真回路，模擬整流橋C相接地短路，分別錄取整流橋正對地電壓 U+、負對地電壓 U-及整流橋輸出直流電壓Uf形如圖2所示。

圖2 整流橋正、負對地仿真電壓波形

從圖2的仿真結果可見，整流橋的正負對地電壓呈現直流脈動波的形式，正對地全部大于 0，負對地全部小于 0，且正對地電壓與負對地電壓之間的電壓差值正好與整流橋的直流電壓相等。由于測量的時候受現場條件所限，采用的往往是萬用表的直流電壓檔位，而萬用表測量直流電壓不能顯示電壓的波形和瞬時值，只能顯示電壓的平均值。從仿真結果可見，當整流橋交流側發生一點接地時，整流橋直流側正對地電壓和負對地電壓平均值具備幅值相等、相位相反的特點。

2 案例分析

某電廠汽輪發電機運行中發出“發電機轉子一點接地”報警。報警發生之后，初步檢查發現該機組轉子接地保護裝置報“轉子一點接地”報警，轉子正負極對地電壓分別為86V和-86V，機組3瓦在報警同時振動有上升（33μm增加至 55μm），但在幾分鐘后振動穩定在39μm，初步判斷轉子存在一點接地問題。

2.1 故障設備概況

該發電機為濟南發電設備廠生產的60MW無刷勵磁機組，其勵磁機電樞繞組通過二極管整流橋全波整流為發電機提供勵磁電流，勵磁機勵磁回路處于靜止狀態，其勵磁電源由勵磁調節器輸出，勵磁調節器可控硅的交流電源由廠用電提供。勵磁機輸出旋轉二極管整流橋為三相全波整流，每組5個整流二極管，二極管并聯阻容吸收回路。

圖 3為故障設備勵磁回路示意圖，其中每組 5個整流二極管簡化為一個整流二極管，F1為阻容吸收回路交流側電纜，F2為轉子中心點位置。

圖3 故障設備勵磁回路示意圖

2.2 故障概況

1）轉子正負對地電壓檢查

發電機發“轉子一點接地”報警后，退出轉子接地保護，利用萬用表直流電壓檔位測量發電機轉子正負對地電壓，測量結果為轉子電壓為172V，轉子正對地86V，負對地為-86V，具備正、負對地電壓的幅值之和等于轉子電壓值、而正負對地電壓的幅值相等的特點。

2）絕緣電阻檢查

從發生報警至停機的6h過程中，勵磁系統無報警信號發出，勵磁電壓電流穩定，無異常。

由于“轉子一點接地”報警不能復歸，為避免發展為兩點接地導致更大的安全事故，機組解列，并采用 500V絕緣搖表分別測量發電機轉子對地絕緣情況，測量結果見表1。

表1 發電機降速過程中轉子絕緣電阻測試

從轉子絕緣電阻測試結果可見，隨著轉速下降，發電機轉子對地絕緣電阻在增大，轉速 90r/min以下時，轉子對地絕緣電阻迅速增大，在發電機盤車狀態時，轉子對地絕緣合格。

2.3 原因分析

從勵磁回路絕緣測試結果可見，發電機確實存在轉子接地，該接地是一個與轉速強相關但不穩定的接地類型，應該是發電機的旋轉部件發生了短路接地問題，且由于接地不穩定，故障排查比較復雜。

從轉子正負對地電壓絕對值相同可見，轉子如果內部存在接地點，那接地點應該在轉子中心點位置對大軸短路，但該發電機在年前返廠維修之后各項試驗結果符合制造要求，才半年即發生轉子接地的可能性不大。

該發電機采用的是旋轉勵磁，其勵磁機電樞、整流回路均處于高速旋轉狀態，相對于轉子銅排，整流回路的部分輔助電纜相對較細，也有可能在高速旋轉時發生接地故障。從本文 1.2節機理分析可見，整流橋交流側接地時轉子正負對地電壓幅值相等、相位相反，與現場測量的結果一致。

從上述分析可見，旋轉整流器交流側一點接地和轉子中心點位置對大軸短路均有可能，但由于轉子內部故障排查需要抽轉子檢修，耗時相對很長。為盡快排除故障點，首先排查旋轉整流器交流側，經過討論后，打開勵磁機外殼（4W）檢查，圖4即為4W打開后旋轉整流器附近的情形。

打開4W之后，檢查旋轉整流器周邊回路，發現其阻容吸收回路的電纜有破損痕跡，部分電纜保護套已破壞嚴重，線心散亂，在高速旋轉時，電纜的線芯極易碰到大軸，如果阻容吸收回路靠交流側的電纜（圖3中的F1位置）發生接地，即相當于整流器交流側接地。旋轉整流器連接線損壞情況如圖4所示。

圖4 旋轉整流器連接線損壞情況

結合上述分析，旋轉整流器的阻容吸收回路電纜線芯在高速旋轉時與大軸接通是導致轉子一點接地報警的直接原因。

3 結論

基于文中所述，發電機勵磁系統整流橋交流側發生一點接地短路時繼電保護也會發“發電機轉子一點接地”報警。通過文章的分析，無論是轉子還是整流橋交流側接地，其均表現為發電機轉子正負對地產生固定電位，轉子正負對地電位的大小可以作為勵磁回路一點接地排查的重要輔助判據。

[1]龍明全,張艷.水輪發電機轉子兩點接地故障的檢查與處理[J].水電站機電技術,2005,28(2): 44-45.

[2]趙厚濱,薛伊琴.發電機轉子一點接地保護的研究[J].電氣技術,2008(1): 74-77.

[3]金少輝,楊雪花.水輪發電機轉子一點接地保護誤動原因及處理[J].東北電力技術,2006,27(3): 51-52.

[4]張建忠,張志猛,孫祎,等.發電機轉子一點接地的查找和處理[J].大電機技術,2014(7): 47-49.

[5]劉小波,劉萬斌,包明磊,等.轉子一點接地保護雙重化配置研究[J].電力自動化設備,2013,33(10): 162-167.

Research on One Point Grounding Fault of Generator Excitation Circuit

Dai Shenhua
(China Datang Corporation Science and Technology Research Institute East Branch,Hefei 230601)

In this paper,the magnitude and the waveform of the positive and negative voltage to ground voltage in different parts of the generator excitation circuit are studied,and the method of determining the location of the grounding voltage by the rotor to ground voltage is presented.At the same time,the research method is used to analyze the rotor grounding fault of generator,and the positive and negative of the rotor of the generator is in complete agreement with the analysis in the paper.The analysis method presented in this paper has important reference value for finding fault location and fault location in the field of generator excitation circuit.

generator; excitation circuit; one point grounding fault

戴申華（1984-），男，安徽池州人，本科，工程師，長期從事發電機勵磁系統試驗及理論研究工作。